13.2.2. Методы получения и области применения уукм

Изделия из однонаправлено-, перекрестно- и хаотически армиро­ванных углерод-углеродных композитов получают карбонизацией углепластиков при температуре около 1000° С или уплотнением пористой углеродной матрицы с помощью повторяющихся процессов пропитки волокон термореактивными смолами с последующей карбонизацией.

Основные методы получения углерод-углеродного композита включают высокотемпературную обработку углепластиков и нанесение на углеродный волокнистый наполнитель пироуглерода, образующегося при разложении углеводородов. Существуют жидкофазный, газофазный и комбинированный способы получения УУКМ.

Жидкофазный метод включает пропитку исходных армирующих углеродных каркасов специальным, например, фенолформальдегидным связующим (пеками или другими высокоуглеродсодержащими органи­ческими смолами), которое отверждают, а. затем карбонизуют при высо­кой температуре (2000°С и выше). Так как при этом материал становит­ся пористым, его еще раз пропитывают связующим и опять карбонизу­ют. Эту операцию повторяют несколько раз. Другой способ - газофаз­ный, включает химическое осаждение пироуглерода из газовой фазы на армирующий каркас при высоких температурах давлениях. Перспек­тивен и комбинированный метод, суть которого заключается в жидкофазной пропитке или газофазном уплотнении армирующего каркаса пироуглеродом с последующим доуплотнением газофазным или жидкофазным способами до получения необходимых: свойств. Полученный материал может работать при температурах до 3000°С, если его поверх­ность защитить от окисления.

Первые стадии производства углерод-углеродного композита ана­логичны изготовлению композита с полимерной матрицей. Углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, т.е. термореак­тивной смолой. Затем соответствующим образом собранные и пропи­танные смолой волокна нагревают в инертной атмосфере. При этом происходит пиролиз смолы (обугливание, аналогичное процессу пре­вращения дерева в древесный уголь) и остается углерод. Полученный композит снова под давлением пропитывают смолой и подвергают пи­ролизу. В результате многократного повторения процесса образуется прочный материал с минимальным числом внутренних пустот.

Уникальные свойства УУКМ - высокая температуростойкость в сочетании с малой плотностью, высокими прочностью и модулем упру­гости, стойкостью к тепловому удару, а также способностью устойчиво

работать при температурах до 773К в окислительной среде и до 3273К в инертной среде и вакууме обусловили их широкое применение. Области применения углерод-углеродных композитов чрезвычайно разнообраз­ны: авиация и космонавтика, металлургия, машиностроение, реакторостроение, медицина и др.

Из УУКМ делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самолетов, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагруз­кам, сопла ракетных двигателей и др.

Пресс-формы для горячего прессования тугоплавких металлов и сплавов из УУКМ обладают высокой прочностью (в 5 - 10 раз выше, чем v графита), термостабильностью, высоким сопротивлением к тер­мическому удару, малой массой, химической инертностью, способно­стью быстро охлаждаться и более длительным сроком эксплуатации.

Подшипники скольжения на основе графитов, обладают малым коэффициентом трения, высокими теплопроводностью и стойкостью в агрессивных средах. Особенно эффективно их применение в узлах тре­ния, где другие антифрикционные материалы, требующие смазки, не работают из-за высоких или низких температур и агрессивности среды.

Углерод-углеродные композиты обладают высокой радиационной стойкостью. Поскольку они по своим прочностным характеристикам превосходят все известные марки реакторных графитов, представляется перспективным их применение для узлов активной зоны высокотемпе­ратурных газоохлаждаемых реакторов. Их применение позволяет значи­тельно повысить надежность работы реактора.

Нагревательные элементы из УУКМ могут применяться в высоко­температурных вакуумных печах или печах с инертной атмосферой при температурах до 3000°С.

Углерод-углеродные композиты широко используют в медицине для изготовления армирующих пластинок для соединения костей при переломах, изготовления сердечных клапанов, имплантации зубов. Эти материалы характеризуются биосовместимостью с тканями человека, прочностью, гибкостью, легкостью. Они отлично приживаются, не да­вая нежелательных реакций. Например, стержни тазобедренных суста­вов из УУКМ, разработанные в Германии, обладают высокой усталостной прочностью и заданной деформацией. Французская фирма СЕМ вы­пускает композиты сложного состава: УУКМ+керамика («биокарб»), сочета-ющие биологические свойства углерода, биомеханические и трибологические свойства керамики для изготовления зубных протезов.