Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты

Разработаны методика и оборудование для высокотемпературного вакуумно-термического рафинирования материалов при температурах до 3000 °С. Показана эффективность приведенной методики для рафинирования порошков природных и промышленных графитов....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Гурин, И.В., Гурин, В.А., Грибанов, Ю.А., Кравцов, Я.В., Гуйда, В.В., Буколов, А.Н., Колосенко, В.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2014
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Чистые материалы и вакуумные технологии
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79916
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты / И.В. Гурин, В.А. Гурин, Ю.А. Грибанов, Я.В. Кравцов, А.Н. Буколов, В.В. Гуйда, В.В. Колосенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 16-20. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-79916
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-799162015-04-09T03:01:57Z Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты Гурин, И.В. Гурин, В.А. Грибанов, Ю.А. Кравцов, Я.В. Гуйда, В.В. Буколов, А.Н. Колосенко, В.В. Чистые материалы и вакуумные технологии Разработаны методика и оборудование для высокотемпературного вакуумно-термического рафинирования материалов при температурах до 3000 °С. Показана эффективность приведенной методики для рафинирования порошков природных и промышленных графитов. Розроблено методику та устаткування для високотемпературного вакуумно-термічного рафінування матеріалів при температурах до 3000 °С. Показано ефективність наведеної методики для рафінування порошків природних і промислових графітів. The technique and equipment for high-vacuum thermal refining of materials at temperatures up 3000 °C. The effectiveness of the methodology here for refining powders of natural and industrial graphites. 2014 Article Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты / И.В. Гурин, В.А. Гурин, Ю.А. Грибанов, Я.В. Кравцов, А.Н. Буколов, В.В. Гуйда, В.В. Колосенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 16-20. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79916 621.365 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Чистые материалы и вакуумные технологии Чистые материалы и вакуумные технологии
spellingShingle	Чистые материалы и вакуумные технологии Чистые материалы и вакуумные технологии Гурин, И.В. Гурин, В.А. Грибанов, Ю.А. Кравцов, Я.В. Гуйда, В.В. Буколов, А.Н. Колосенко, В.В. Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты Вопросы атомной науки и техники
description	Разработаны методика и оборудование для высокотемпературного вакуумно-термического рафинирования материалов при температурах до 3000 °С. Показана эффективность приведенной методики для рафинирования порошков природных и промышленных графитов.
format	Article
author	Гурин, И.В. Гурин, В.А. Грибанов, Ю.А. Кравцов, Я.В. Гуйда, В.В. Буколов, А.Н. Колосенко, В.В.
author_facet	Гурин, И.В. Гурин, В.А. Грибанов, Ю.А. Кравцов, Я.В. Гуйда, В.В. Буколов, А.Н. Колосенко, В.В.
author_sort	Гурин, И.В.
title	Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты
title_short	Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты
title_full	Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты
title_fullStr	Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты
title_full_unstemmed	Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты
title_sort	углеродные композиционные материалы повышенной чистоты
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Чистые материалы и вакуумные технологии
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79916
citation_txt	Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты / И.В. Гурин, В.А. Гурин, Ю.А. Грибанов, Я.В. Кравцов, А.Н. Буколов, В.В. Гуйда, В.В. Колосенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 16-20. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT guriniv uglerodnyekompozicionnyematerialypovyšennojčistoty AT gurinva uglerodnyekompozicionnyematerialypovyšennojčistoty AT gribanovûa uglerodnyekompozicionnyematerialypovyšennojčistoty AT kravcovâv uglerodnyekompozicionnyematerialypovyšennojčistoty AT gujdavv uglerodnyekompozicionnyematerialypovyšennojčistoty AT bukolovan uglerodnyekompozicionnyematerialypovyšennojčistoty AT kolosenkovv uglerodnyekompozicionnyematerialypovyšennojčistoty
first_indexed	2025-07-06T03:51:10Z
last_indexed	2025-07-06T03:51:10Z
_version_	1836868038095273984
fulltext	ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 16 УДК 621.365 УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПОВЫШЕННОЙ ЧИСТОТЫ И.В. Гурин, В.А. Гурин, Ю.А. Грибанов, Я.В. Кравцов, А.Н. Буколов, В.В. Гуйда, В.В. Колосенко Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина Е-mail: igor@kipt.kharkov.ua; тел./факс +38(057)335-39-83 Разработаны методика и оборудование для высокотемпературного вакуумно-термического рафинирова- ния материалов при температурах до 3000 °С. Показана эффективность приведенной методики для рафини- рования порошков природных и промышленных графитов. В современной энергетике все большее место за- нимает производство электроэнергии на атомных станциях. Повышение надежности ядерных реакто- ров в эксплуатации, их экономичности и долговеч- ности невозможно без разработки новых конструк- ционных материалов, которые должны иметь целый комплекс определенных свойств, зачастую, уни- кальных. Материалы на основе углерода использо- вались в конструкции первых ядерных реакторов и до сих пор не утратили своей перспективности для использования в реакторах различных типов [1]. Низкий атомный номер и уникальные теплофизиче- ские свойства, высокая температура сублимации, стойкость к механическим и термическим ударам, высокая химическая стойкость обуславливают пре- имущества материалов на основе углерода. Среди требований, которые предъявляются к углеродным материалам в ядерной энергетике, одну из основных ролей играет высокая чистота материала. При производстве промышленного графита ос- новное загрязнение происходит за счет внесения примесей с исходным сырьем (коксом, пеком и т. д.). Естественная очистка материала на стадии графитации (высокотемпературной обработки при 2200…3000 ºС) позволяет получать материалы с зольностью 0,1…0,02%. Для получения материалов более высокой чистоты используется обычно до- полнительная термообработка с применением хлор- и фторсодержащих реагентов. Такая термообработ- ка позволяет получать графитовые материалы клас- са ОСЧ с зольностью на уровне 10-3…10-4% [2]. Композиционным материалам с матрицей, полу- ченной при газофазном осаждении пироуглерода, исходно присуща внутренняя чистота. Проведенные эксперименты показали, что пироуглерод, осажден- ный из газовой фазы, имеет чистоту не хуже спек- трально-чистого графита, а основные примеси в ма- териал вносятся с наполнителем. Содержание наполнителя в композитах на основе пироуглеродной матрицы варьируется обычно 0,2…1 г/см3, что при конечной плотности композита 1,45…1,9 г/см3 обеспечивает повышение чистоты материала не менее чем в два раза. Для получения более чистых материалов – необходимо проводить рафинацию наполнителя. Для очистки наполнителей в композиционных материалах была разработана методика вакуумно- термической рафинации углеродных материалов при температурах 2850…2900 ºС. Высокотемпературная обработка углеродных ма- териалов в вакууме позволяет удалить примеси пу- тем испарения, но может привести к изменению структуры и морфологии углеродных материалов вследствие графитации [3] порошка. При выборе технологического режима рафини- рования углеродных материалов от примесей влия- ния температуры и давления на скорость испарения в первом приближении можно оценить по летучести индивидуальных элементов примесей [4]. В табл. 1 приведены скорости испарения элемен- тов-примесей, которые часто встречаются в угле- родных материалах, и скорости испарения графита в зависимости от температуры и давления ниже 133 Па [5]. Из данных табл. 1 видно, что при 1000…2300 ºС в вакууме скорость испарения при- месей значительно выше скорости испарения угле- рода, поэтому такие примеси могут быть удалены при термообработке в вакууме. Таблица 1 Скорость испарения элементов-примесей и графита в зависимости от температуры и давления ниже 133 Па [5] Скорость испарения W, г/(см2·с), при температуре, ºС Элемент 1000 1500 1600 1800 1900 2000 2300 Fe 6,92·10-9 1,5·10-4 6,05·10-4 6,14·10-3 1,67·10-2 4,13·10-2 0,41 Ni 2,41·10-9 8,99·10-5 3,74·10-4 4,27·10-3 1,22·10-2 3,17·10-2 0,35 Ca 0,16 – – – – – – Si 8,42·10-10 3,73·10-5 5,84·10-4 1,89·10-3 5,49·10-3 1,45·10-3 1,69·10-1 Al 1.57·10-3 4,52·10-3 1,33·10-2 8,36·10-2 0,18 0,38 2,34 C (графит) 1,10·10-21 6,89·10-13 1,08·10-11 1,18·10-9 8,91·10-9 5,63·10-3 5,99·10-6 17 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) Это предопределяет применение для рафиниро- вания углеродных материалов вакуумных электро- печей с нагревательными блоками из углерод- углеродных композиционных материалов. Электротермическое рафинирование угле- родных материалов в вакууме по сравнению с реак- циями в среде активных газов имеет ряд преиму- ществ. Нет необходимости в использовании актив- ных газов и сложного технологического оборудова- ния для работы с ними, отсутствует загрязнение воздуха и окружающей среды. Основным недостатком вакуумного электротер- мического метода рафинирования является необхо- димость нагрева материалов до более высоких тем- ператур. Работа при таких температурах предполагает ис- пользование специальных материалов, способных выдерживать температурные режимы технологиче- ского процесса. К таким материалам относятся уг- лерод-углеродные материалы, полученные с исполь- зованием газофазных (прежде всего термоградиент- ных) методов уплотнения [6]. Для реализации процессов высокотемпера- турного вакуумно-термического рафинирования была использована одна из газофазных установок пиролиза типа АГАТ. Установка была дооснащена специально изготовленной технологической оснаст- кой для реализации высокотемпературной обработ- ки с непрямым нагревом. На рис. 1 представлен внешний вид установки и эскиз технологической оснастки. Рис. 1. Внешний вид и эскиз технологической оснастки для высокотемпературной вакуумно-термической обработки материалов. На эскизе: 1 – крышка тигля; 2 – нагреватель; 3 – тигель; 4 – теплоизолирующий экран; 5 – окно термопары; 6 – подставка; 7 – теплоизоляция; 8 – графитовая плита Оснастка представляет собой высокотемпера- турную печь вертикального типа с цилиндрическим нагревателем 2 и теплоизолирующим экраном 4, внутри которого расположен тигель для образцов 3. Высота подставки 6 и её диаметр выбраны таким образом, чтобы в рабочей зоне нагревателя (Ø85 мм, Н=250 мм) можно было обеспечить равно- мерное температурное поле для нагрева тигля объе- мом ~ 0,5 л до температуры 3000 ºС. Внутренние стенки камеры типа АГАТ, охлаж- даемые водой, выступают в качестве холодильника- конденсатора для примесей удаляемых при прове- дении процесса рафинации. После каждого процесса налет со стенок удаляется механически. Все элементы технологической оснастки изго- товлены из углеродных материалов (ЭГ-0, ГСП, УУКМ и углеродного войлока). Это не мешает ис- парению большинства примесей, находящихся в графите, если учесть, что скорость испарения угле- рода при высоких температурах (2800…3000 ºС) значительно ниже скорости испарения большинства примесей (см. табл. 1). Нагреватель и тигель изго- товлены из графита ГСП собственного производст- ва, дополнительно покрыты слоем пироуглерода. В конструкции разработанной оснастки наиболее нагруженным является нагреватель. Он изготовлен из высокоплотного графита на пироуглеродной связке. Внешний вид нагревателя, изготовленного по этой технологии, показан на рис. 2. Как видно, на- греватель равномерно покрыт пироуглеродной пленкой, что свидетельствует о его равномерном нагреве. На этом рисунке также показан внешний вид те- плового экрана разработанной установки. Мы оста- новились на одноступенчатом составном тепловом экране. Тепловой экран представляет собой тонко- стенную обечайку из углерод-углеродного материа- ла, на внешнюю поверхность которого намотан уг- леродный войлок. Для предотвращения пылеобразо- вания при эксплуатации экрана на наружную по- верхность войлока для защиты наматывали угле- родную ткань Урал-Т22. В боковой стенке теплово- го экрана сделано отверстие для пирометрического ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 18 контроля температуры. Для предотвращения зарас- тания отверстия во время проведения процесса внутрь вставлена углерод-углеродная трубка. Экран представляет собой цельную конструкцию, что зна- чительно облегчает сборку-разборку технологиче- ской оснастки. Рис. 2. Внешний вид нагревателя и теплового экрана для высокотемпературной вакуумно-термической обработки Эффективность экрана достаточна для получе- ния температур на нагревателе ≥ 3000 ºС, при этом наружная поверхность экрана разогревается до 450…500 ºС. Выгорание экрана при проведении процессов высокотемпературной обработки не про- исходит. Также составной частью оснастки является и графитовый тигель (см. поз. 3, рис. 1). Тигель изго- товлен из плотного графита ГСП, имеет крышку с отверстиями для выхода газообразных примесей из рабочего объема. Для удержания очищаемого по- рошка внутри тигля под крышкой помещен слой рафинированного углеродного войлока. Внешний вид тиглей приведен на рис. 3. Рис. 3. Внешний вид тиглей Для изучения эффективности высокотемпера- турного обжига, как метода рафинирования порош- ка графита от степени нагрева и длительности вы- держки, было проведено больше 20 экспериментов. Эксперименты проводились при фиксированных температурах: 1500, 2200, 2600 и 2800 ºС. Длительность выдержки при каждой фиксиро- ванной температуре изменялась с шагом 15 мин и составляла 15, 30, 45, 60, 75 мин. Эффективность процесса в каждом эксперименте определялась гра- виметрическим анализом на зольность; сжигание навески порошка графита производилось в воздуш- ной атмосфере при температуре 900 ºС. Результаты эксперимента приведены в табл. 2. Таблица 2 Зольность порошка графита после процессов рафинирования при температуре 1500 ºС Режим Номер экспе- римен- та Температура, ºС Длите- льность выдер- жки, мин Длите- льность выхода на режим, мин Золь- ность, % 1 1500…1560 15 50 0,08 2 1500…1560 30 57 0,07 3 1500…1560 45 54 0,11 4 1500…1560 60 50 0,07 5 1500…1560 75 60 0,06 6 1500…1550 90 56 0,05 Рис. 4. Относительная зольность материала после процесса вакуумно-термического рафинирования при 1500 ºС Как видно из данных рис. 4, относительная эф- фективность процесса вакуумно-термического ра- финирования при 1500 ºС существенно зависит от длительности процесса и через 90 мин составляет ~ 30%. В дальнейшем были проведены эксперименты по исследованию эффективности вакуумно-термиче- ского рафинирования при 2200 ºС. Результаты экс- периментов при этой температуре представлены в табл. 3. Относительная зольность материала после про- цесса вакуумно-термического рафинирования при 2200 ºС показана на рис. 5. Как видно, связь между длительностью и эффективностью процессов ваку- умно-термического рафинирования при температуре 2200 ºС не наблюдается. Средняя относительная эффективность процесса составляет 26%. 19 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) Таблица 3 Зольность порошка графита после процессов рафинирования при температуре 2200 ºС Режим Номер экспе- римен- та Температура, ºС Длитель- ность выде- ржки, мин Длитель- ность выхода на режим, мин Золь- ность, % 7 2200…2240 15 66 0,03 8 2200…2240 30 68 0,04 9 2200…2250 45 68 0,056 10 2200…2240 60 66 0,027 11 2200…2250 75 68 0,047 12 2200…2260 90 73 0,050 Рис. 5. Относительная зольность материала после процесса вакуумно-термического рафинирования при 2200 ºС Результаты экспериментов по определению эф- фективности процессов вакуумно-термического ра- финирования при температуре 2600 ºС приведены в табл. 4. Таблица 4 Зольность порошка графита после процессов рафинирования при температуре 2600 ºС Режим Номер экспери- мента Температура, ºС Длитель- ность выде- ржки, мин Длитель- ность выхода на режим, мин Золь- ность, % 13 2600…2630 15 70 0,05 14 2600…2640 30 76 0,03 15 2600…2660 45 75 0,03 16 2200…2260 60 70 0,02 17 2600…2650 75 103 0,04 18 2600…2650 90 90 0,06 При температуре 2600 ºС вначале происходит существенное уменьшение зольности материала, а потом – увеличение (рис. 6). По-видимому, это свя- зано с механизмом сублимации-конденсации графи- та, если брать во внимание, что при этой температу- ре и выдержке более 1 ч мы наблюдали начало роста пленок пирографита на поверхности тигля. Относительная зольность материала после про- цесса вакуумно-термического рафинирования при температуре 2600 ºС в течение 60 мин уменьшилась до 12,5%. Рис. 6. Относительная зольность материала после процесса вакуумно-термического рафинирования при 2600 ºС Результаты экспериментов по определению эф- фективности процессов вакуумно-термического ра- финирования при температуре 2800 ºС показаны в табл. 5. Принимая во внимание скорость выгорания нагревателей при этой температуре, продолжитель- ность процессов была уменьшена. Из табл. 4 и 5 видно, что увеличение температу- ры с 2600 до 2800 ºС приводит к существенному повышению скорости процессов рафинирования. Таблица 5 Зольность порошка графита после процессов рафинирования при температуре 2800 ºС Режим Номер экспе- римен- та Температура, ºС Длительность выдержки, мин Длитель- ность выхода на режим, мин Золь- ность, % 25 2800…2830 15 88 0,05 26 2800…2850 23 88 0,04 Следует заметить, что эксперименты по рафини- рованию мы проводили с порошком, загрязненным температуростойкими примесями, входящими в со- став асбеста; при использовании других порошко- вых материалов эффективность процессов рафини- рования может быть выше. Так в табл. 6 приведены данные по вакуумно-термическому рафинированию порошка графита ЭГ-0, собранного при проточке блока графита и порошка природного графита марки «П». Зольность исходных порошков для ЭГ-0 и «П» составляла соответственно 0,16 и 15%. Таблица 6 Зольность материалов после вакуумно-термической обработки порошков ЭГ-0 и природного графита марки «П» Материал Масса порошка, г Масса золы, г Зольность, % Порошок графита (ЭГ-0) после рафинации при 2870 ºС 37,87 -(<0,001) <2·10-3 Порошок природного графита «П» после рафинации 33,00 -(<0,001) <3·10-3 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 20 В обоих случаях после вакуумно-термической обработки при 2800 ºС были получены материалы с зольностью на уровне 10-3%, что свидетельствует о применимости методики для удаления большинства примесей (cм. табл. 6). На рис. 7 показаны результаты исследования влияния температуры на чистоту (зольность) мате- риалов при вакуумно-термической рафинации в сравнении с традиционными (вакуумно- термической и хлортермической обработками). С использованием разработанной методики были получены наполнители с чистотой (2…3)·10-3%, ко- торые позволяют изготавливать углеродные компо- зиты с зольностью ≥ 1·10-3%, что соответствует классу ОСЧ-7-3. 3 Рис. 7. Эффективность различных методов рафинации углеродных материалов: 1 – термическая; 2 – хлортермическая; 3 – вакуумно-термическая обработки ВЫВОДЫ Разработаны методика и оборудование для высо- котемпературного вакуумно-термического рафини- рования материалов при температурах до 3000 °С. Проведенные эксперименты показали, что эффек- тивное рафинирование материалов происходит при температуре 2600 ºС и длительности процесса 30…60 мин. Дальнейшее увеличение длительности процесса рафинирования и температуры до 2800…2900 ºС не приводит к заметному повыше- нию чистоты материала, при этом заметно снижает- ся ресурс технологической оснастки. Показана эффективность приведенной методики для рафинирования порошков природных и про- мышленных графитов. На этих материалах была получена чистота на уровне 10-3%, при начальной зольности – на уровне 0,16…15%. Показана также эффективность методики для рафинирования мате- риалов, загрязненных высокотемпературными при- месями и входящих в состав асбеста. На таких мате- риалах получена чистота на уровне 10-2%. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. А.Н. Вяткин, А.Н. Деев, В.Н. Нагорный и др. // Ядерный графит. М.: «Атомиздат», 1967. 2. Nuclear Graphite / ed. R.E. Nightingale. Aca- demic Press, New York-London, 1962, p. 22-53. 3. В.С. Островский, В.И. Виргильев, В.И. Кос- тиков и др. Искусственный графит. М.: «Металлур- гия», 1986, 261 с. 4. Р.Б. Котельников, С.Н. Башлыков, З.Г. Голи- акборов и др. Особо тугоплавкие элементы и соеди- нения: Справочник. М.: «Металлургия», 1969, 212 с. 5. С.В. Дэшман // Научные основы вакуумной техники. М.: «Мир», 1964, 280 с. 6. В.А. Гурин, В.Ф. Зеленский. Газофазные ме- тоды получения углеродных и углерод-углеродных материалов // ВАНТ. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». 1999, №4(76), с. 13-31. Статья поступила в редакцию 19.06.2013 г. ВУГЛЕЦЕВІ КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ ПІДВИЩЕНОЇ ЧИСТОТИ І.В. Гурін, В.А. Гурін, Ю.А. Грібанов, Я.В. Кравцов, А.Н. Буколов, В.В. Гуйда, В.В. Колосенко Розроблено методику та устаткування для високотемпературного вакуумно-термічного рафінування ма- теріалів при температурах до 3000 °С. Показано ефективність наведеної методики для рафінування порош- ків природних і промислових графітів. HIGH PURITY CARBON COMPOSITE I.V. Gurin, V.A. Gurin, Yu.A. Gribanov, Ya.V. Kravtsov, A.N. Bukolov, V.V. Guyda, V.V. Kolosenko The technique and equipment for high-vacuum thermal refining of materials at temperatures up 3000 °C. The ef- fectiveness of the methodology here for refining powders of natural and industrial graphites. ºС

Углеродные композиционные материалы повышенной чистоты

Репозитарії

Схожі ресурси