WEB-ресурс научно-практических конференций

К.т.н. Скачков В.А., Иванов В.И., Печенникова В.М., Болюк С.В.

Запорожская государственная инженерная академия

О НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ УПЛОТНЕНИИ ПОРИСТЫХ КОМПОЗИТОВ ПИРОУГЛЕРОДОМ

Заполнение пористой структуры карбонизованных заготовок пироуглеродом обеспечивает повышение плотности, а также теплоемкости и термостойкости углеродных композитов.

В настоящее время наиболее широко применяют газофазный метод получения углеродных композитов различной структуры армирования. Достаточно разработан изотермический процесс уплотнения пористых углеродных композитов в среде природного газа при температурах 900…1300 ⁰ С, который реализуют в проточных реакторах термохимического типа. Однако процесс пироуплотнения карбонизованных заготовок в указанных условиях характеризуется достаточно высокими энергозатратами.

Использование в качестве реакционного газа пропана позволяет значительно снизить температуру пироуплотнения композитов. Данная работа посвящена определению рациональных технологических параметров процесса низкотемпературного осаждения пироуглерода из пропана в объем пористых углеродных композитов.

Рассматривали прямолинейную пору, расположенную перпендикулярно к поверхности композиционного материала и имеющую круговое поперечное сечение с эффективным радиусом r . Кинетическая модель, описывающая процесс диффузионного переноса пропана по длине поры и разложение его на нагретых поверхностях с осаждением твердого осадка - пиролитического углерода, представляется в виде [1]:

, (1)

где r - радиус поры; D - коэффициент диффузии для пропана; С - концентрация пропана; - координата по длине поры; k - константа скорости образования пиролитического углерода; f ( С ) - концентрационная функция.

В уравнении (1) константа скорости образования пиролитического углерода задается соотношением Аррениуса:

, (2)

где Е - энергия активации; k ₀ - предэкспоненциальный множитель; Т - температура процесса пиролитического уплотнения (количественные значения параметров Е и k ₀ определены в работе [2]).

Граничные условия для уравнения (1) задаются в виде:

; (3)

, (4)

где С ₀ - концентрация реакционного газа у поверхности композиционного материала; h - толщина уплотняемого композиционного материала.

Решение уравнения (1) с учетом граничных условий (3) и (4) имеет вид

, (5)

где .

Процесс осаждения пироуглерода в порах композита определяется скоростью диффузии реакционного газа в пористую структуру, а также скоростью его разложения на нагретой поверхности поры с образованием пиролитического углерода.

Скорость осаждения пироуглерода определяется соотношением

. (6)

Исследования процесса уплотнения пористых композиционных материалов пироуглеродом, получаемым при разложении пропана, проводили на специально разработанной установке. В качестве экспериментального материала использовали карбонизованный углепластик с порами от 0,1 до 100 мкм.

Образцы карбонизованного углепластика имели толщину 9,8 мм и кажущуюся плотность d _к = 1,08 ± 0,01 г/см ³ . Пироуплотнение исследуемых образцов в реакторе осуществляли при давлении реакционного газа-пропана (101,6 ± 10) кПа и его расходе (0,08 ± 0,20) ? 10 ^-5 м ³ /c.

Относительную массовую скорость осаждения пироуглерода представляли формулой:

, (10)

где a = ( D m / m _i ) ? 100%; t - длительность процесса, ч ; D m - увеличение массы образца за счет осаждения пироуглерода, г; m _i - начальная масса образца, г.

Проведенные исследования позволили выявить параметры, приемлемые для пироуплотнения углеродных композитов пропаном: температура - 630 ⁰ C , давление - 101,6 кПа и расход газа - 0,1 ? 10 ^-5 м ³ / с .

Литература:

1. Скачков В.А. Анализ методов газофазного уплотнения пористых углерод-углеродных композиционных материалов / / Металлургия (Труды ЗГИА). - Запорожье: ЗГИА, 2003. - Вып.7. - С.70-77.

2. Скачков В. А ., Карпенко В.Д. , Иванов В.И. Математические модели процессов температурной обработки и уплотнения в производстве углеродных композиционных материалов / / Вопросы атомной науки и техники. – Х . : ННЦ ХФТИ, 1999. - Вып.4 (76). - С.3-12.