Способ обработки поверхности углеродных волокон
Использование: материалы технического назначения. Сущность изобретения: на поверхность углеродного волокнистого материала наносят стимулирующий агент из раствора галоидного соединения в органическом растворителе. Сушат, восстанавливают галоидное соединение до соответствующего элемента в токе водорода при 600 - 1273К и давлении 0,25 - 13,5 кПа. Затем осуществляют осаждение покрытия из карбида кремния и нитевидных кристаллов при 1473 - 1673К и давлении не более 13,5 кПа используют газовую смесь тетрахлорида кремния, моносилана, метана, аргона и водорода в соотношении от 1 : 20 : 160 : 180 : 200 до 1 : 10 : 200 : 200 : 1000. Галоидным соединением являются хлориды железа, никеля, кобальта, сурьмы, висмута, лантана, теллура, кремния. 1 табл.
Изобретение относится к материаловедению, в частности к способам нанесения на поверхность углеродных волокнистых материалов нитевидных кристаллов карбида кремния.
Известен способ [1] увеличения межслоевой прочности на сдвиг материала, который должен быть связан с другим материалом, выращиванием полностью прикрепленных монокристаллических усов на поверхности первого материала как для придания шероховатости его поверхности для связывания с осаждаемым материалом матрицы или с пластиком, так и для изменения химического состава поверхности для улучшения связывания, например, со смолой. Способ включает армирование волокнистых структур усами, в том числе усами из карбида кремния. Недостатком способа является то, что образование усов карбида кремния осуществляется через оксиды, что связано с разупрочнением углеродных волокон в связи с наличием кислорода. Известен способ обработки поверхности углеродных волокон нанесением на них покрытия из карбида кремния при температуре, не превышающей 1200оС, обработкой стимулирующим агентом, например солями металлов подгруппы железа, с последующим нанесением на поверхность волокна нитевидных кристаллов карбида кремния из газовой фазы, состоящей из смеси кремния- и углеродсодержащих соединений; тетрахлорида кремния, метана и водорода, взятых в соотношении от 1: 2: 200 до 1: 1: 400 по объему при пониженном давлении [2] . Однако процессы нанесения защитного карбидокремниевого покрытия на волокна и их последующей химической вискеризации разделены технологически, что приводит к большим затратам материалов, времени, энергии и, кроме того, приводит к излишнему травмированию волокон и потере ими прочности. Наиболее близким изобретением является способ обработки поверхности углеродных волокон [3] , в котором нанесение покрытия и нитевидных кристаллов карбида кремния осуществляют одновременно при 1200-1350оС, атмосферном давлении в газовой фазе из смеси метилхлорсилана или тетрахлорида кремния и углеводорода с водородом при парциальном давлении кремний- и углеродсодержащих соединений 50-200 мм рт. ст. , соотношение Si: C, равном 1: 2, и скорости газового потока 0,02-2,0 см/с в присутствии в качестве стимулирующего агента смеси двух соединений, выбранных из группы: сурьма, висмут, лантан, теллур, кремний или их хлориды, при соотношении компонентов смеси 0,67-1,5 в количестве 5-25 г на 100 г волокна, причем стимулирующий агент предварительно наносят на исходный углеродный волокнистый материал из раствора в органическом растворителе с последующей сушкой. К недостаткам способа следует отнести невозможность достижения стабильных прочностных показателей армированных ими пластиков, а использование таких агрессивных компонентов, как метилхлорсилан и тетрахлорид кремния, которые, претерпевая химические превращения, дают в качестве конечного продукта хлористый водород, для нейтрализации которых требуется сложная и громоздкая система ловушек, что при последующей утилизации конечных продуктов создает определенные экологические трудности при реализации способа. Целью изобретения является повышение прочностных характеристик волокон и углепластиков на их основе и обеспечение экологической чистоты процесса. Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки поверхности углеродных волокон, включающем нанесение на них покрытия из карбида кремния и нитевидных кристаллов карбида кремния при повышенной температуре из газовой фазы, состоящей из смеси кремний- и углеродсодержащих соединений, с использованием в качестве стимулирующего агента смеси соединений, взятых из группы: железо, никель, кобальт, сурьма, висмут, лантан, теллур, кремний или их хлориды, нанесение карбидокремниевого покрытия и нитевидных кристаллов карбида кремния осуществляют в следующей последовательности. Сначала на поверхность углеродного волокнистого материала наносят стимулирующий агент из раствора галоидного соединения в органическом растворителе, затем волокнистый материал сушат в токе воздуха при 323-343 К и проводят восстановление галлоидного соединения на поверхности волокон до соответствующего элемента в токе водорода при 600-1273 К и давлении 0,25-13,50 кПа, после этого осуществляют осаждение покрытия и нитевидных кристаллов карбида кремния из газовой смеси состава; тетрахлорид кремния, моносилан, метан, аргон, водород, взятых в молярном соотношении от 1: 20: 160: 180: 200 до 1: 10: 200: 200: 1000 при температуре 1473-1673 К и давлении не более 13,5 кПа. Применение органических растворов солей галоидных соединений, взятых из группы: железо, никель, кобальт, сурьма, висмут, лантан, теллур, кремний - для нанесения стимулирующих агентов на углеродный волокнистый материал обусловлено тем, что эти соли, как правило, содержат кристаллическую воду. В органических растворителях происходит отделение кристаллогидратной воды или ее частичное связывание в соответствующую гидроокись, например, в случае раствора хлористого висмута в ацетоне по схеме; BiCl3
Формула изобретения
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН нанесением на поверхность исходных углеродных волокнистых материалов стимулирующего агента из раствора галоидных соединений в органическом растворителе, сушкой, осаждением покрытия из карбида кремния и нитевидных кристаллов, отличающийся тем, что в качестве галоидных соединений используют хлориды элементов, взятых из группы железо, никель, кобальт, сурьма, висмут, лантан, теллур, кремний, после сушки проводят восстановление галоидного соединения на поверхности волокон до соответствующего элемента в токе водорода при 600 - 1273 К и 0,25 - 13,50 кПа, а осаждение осуществляют из газовой смеси состава тетрахлорид кремния, моносилан, метан, аргон, водород, взятых в соотношении 1 : 20 : 160 : 180 : 200 - 1 : 10 : 200 : 200 : 1000 при 1473 - 1673 К и не более 13,5 кПа.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2