Особливості формування структури та властивостей низькощільних вуглецевих композиційних матеріалів для теплоізоляції електровакуумного обладанання

Abstract

UA : Дисертаційна робота присвячена особливостям формування структури та властивостей низкощільних вуглецевих композиційних матеріалів методом висадження з водних суспензій на основі рубаного карбонізованого вуглецевого волокна, порошку фенолоформальдегідної смоли, порошку форполімеру та матеріалів – утворювачів пор, призначених для використання в якості теплоізоляційного матеріалу для електровакуумного обладнання, що працює при високих температурах. В результаті проведених досліджень гранулометричного складу водної суспензії розроблені структура і геометричні характеристики вихідних компонентів: вуглецевого волокна не більше 900 мкм; фенолоформальдегідної смоли не більше 315 мкм; формполімеру не більше 630 мкм; пороутворювачів не більше 850 мкм. Вперше методом седиментаційного аналізу встановлені швидкості осадження кожного компонента суспензії, граничні концентрації упакованих частинок компонентів суспензії, що дозволяє прогнозувати щільність кінцевого матеріалу. Розроблено математичну модель зливу водної суспензії, що встановлює вплив гідростатичного напору, глибини вакуумування, висоти шару впакованих часток, граничних концентрацій впакованих часток: встановлені значення залишкового тиску (не більше 0,01 МПа), гідростатичного напору (не більше 0,002 МПа) у процесі зливу водної суспензії, часу й температури сушіння висадженої заготовки. Розроблено математичну модель процесу карбонізації, що адекватно описує прогнозування пружних і міцнісних характеристик, усадок і пороутворення в об'ємі низькощільного вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу. Визначені статистичні параметри випадкових термоструктурних і термоусадочних функцій компонентів вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу. Визначений структурний, компонентний склад водної суспензії та технологічні особливості отримання матеріалу, що забезпечують гарантовану щільністю до 0,3 ·103 кг/м3 та її розкидом не більше 0,01·103 кг/м3. Розроблена й випробувана технологічна схема одержання вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів з регульованою щільністю. Використання отриманого низько щільного вуглецевого композиційного матеріалу в якості теплоізоляції електровакуумних печей з робочою температурою до 2500 0С дозволило знизити енергоспоживання до 50%, збільшити ресурс роботи теплових вузлів до 40%, підвищити ремонтопридатність обладнання, знизити витрати на підготовку до роботи.

RU : Диссертационная работа посвящена особенностям формирования структуры и свойств низкоплотных углеродных композиционных материалов методом высадки из водных суспензии, с возможностью их использования в качестве теплоизоляционного материала в электровакуумном оборудовании, работающего при высоких температурах. В результате проведенных исследований гранулометрического состава водной суспензии разработаны структура и геометрические характеристики исходных компонентов: углеродного волокна не более 900 мкм; феноло-формальдегыдной смолы не более 315 мкм; формполимера не более 630 мкм; порообразователей не более 850 мкм. Впервые методом седиментационного анализа установлены скорости осаждения каждого компонента суспензии, предельные концентрации плотноупакованных частиц компонентов суспензии, что позволяет прогнозировать плотность конечного материала. Процесс слива описан математической моделью, учитывающей концентрацию каждого из компонентов водной суспензии, скорость осаждения каждой фракции, скорости истечения жидкости и роста слоя упакованных частиц, глубину вакуумирования, объемный расход воды, эффективное сопротивление фильтра. Рассчитаны значения остаточного давления в процессе слива водной суспензии, составившее 0,01 МПа, величины гидростатического напора, равного 0,002 МПа. Предложен технологический режим сушки слитой заготовки. Разработана математическая модель процесса карбонизации, учитывающая термохимические преобразования компонентов композиционного материала при различных температурах. Определены статистические параметры случайных термостуктурных и термоусадочных функций для феноло-формальдегидной смолы и материалов порообразователей. Предложенная модель позволяет обеспечить расчет упругих, прочностных характеристик, усадок и порообразования в объеме углерод-углеродного композиционного материала. Расчетные данные подтверждаются экспериментальными исследованиями с применением разработанных и стандартных методик. Разработана технологическая схема получения низкоплотного углерод- углеродного композиционного материала со средней плотностью от 0,01 до 0,30 · 103 кг/м3, что также дало возможность получать углеродные материалы с регулируемой плотностью. Использование полученного низкоплотного углерод-углеродного композиционного материала в качестве теплоизоляции электровакуумных печей с рабочей температурой до 2500 0С позволило снизить энергопотребление до 50 %, увеличить ресурс работы тепловых узлов до 40 %, повысить ремонтопригодность оборудования, снизить затраты на подготовку к работе.

EN : The thesis is devoted to the peculiarities of the receipt and the formation of structure and properties low-density carbon-carbon composites by detonation of aqueous suspensions based on chopped carbon fibers, powder phenol-formaldehyde resin powder of prepolymer and materials - creators of pores for use as insulation material for electronic equipment operating at high temperatures. The mathematical model draining aqueous suspension establishing the impact of hydrostatic pressure, vacuum depth, height packed layer of particles packed particle concentration limit, set the value of the residual pressure (less than 0,01 MPa) hydrostatic pressure (up to 0,002 MPa) in the drain aqueous suspension, drying time and temperature planted. The mathematical model carbonization process that adequately describes the prediction of elastic and strength characteristics, to estimate the level of microstructural transformations and pore formation in volume low-density carbon-carbon composite material. Designated statistical parameters of random functions thermochemical shrinkage coefficients and linear thermal expansion of the composite for arbitrary carbonation temperatures. The structural, composition of an aqueous suspension and technological features of obtaining materials that provide a guaranteed density to 0,3·103 kg/m3 and it spread no more than 0,01·103 kg/m3. Developed and tested technological scheme of obtaining carbon-carbon composite materials with variable density.