Основные этапы технологии производства углеродных материалов (классическая керамическая технология электродного производства). Ассортимент получаемой продукции

Изготовление углеродных и графитовых материалов происходит по технологиям, основанным на классических технологиях производства керамики. Исходные материалы — нефтяной кокс, пековый кокс, технический углерод или графит, имеющие определенный гранулометрический состав, смешиваются при повышенных температурах с термопластическими вяжущими веществами. В качестве последних рассматриваются пек каменноугольный или нефтяной и искусственные смолы. Специальные свойства материалам придаются с помощью добавок минерального или металлического порошка. Так, например, при производстве угольных щёток для низковольтных двигателей добавляется медный порошок.

Производство углеродных и графитовых материалов включает следующие этапы:

· Подготовка и смешивание сырья Подготовка материала и его перемешивание на предприятии «Шунк Углеродная техника» происходит в непрерывном процессе, управляемом компьютером. Гранулометрический состав исходного материала определяется с помощью лазерного дифракционного анализа, частично в режиме онлайн. Процесс перемешивания происходит в двухшнековом экструдере при заданных параметрах, зависящих от количества материала, конфигурации шнеков и температурного профиля.

· Формовка Подготовленные к обработке смеси формуются в формовочных, изостатических или профильных прессах до так называемых «зеленых тел» (заготовок). Процесс фасонной обработки может происходить при нормальной или повышенной температуре; давление пресса может варьировать от 2 до 400 МПа.

· Обжиг В заключение процесса формовки материал обжигается. Процесс обжига, в зависимости от материала, параметров и требуемых свойств, происходит в печи, работающей в непрерывном или прерывистом режиме. Скорость разогрева, максимальная температура (до 1200 °C) и газовая среда печи устанавливаются в зависимости от требований к материалу. Во время обжига происходит пиролиз, расщепляющий вяжущие вещества на летучие компоненты и углерод. Этот, так называемый, «вяжущий кокс» придает целостность сформированным и обожжённым изделиям. После обжига ещё не создана сквозная графитовая структура. Обожжённые изделия хрупкие и, как правило, твёрдые и жёсткие. Во многих случаях, например в подшипниках скольжения, требуются именно такие свойства. Такие материалы называются углеродграфитовыми.

· Графитизация Процесс графитизации — второй этап термообработки при температуре до 3000 °C — придаёт углероду необходимые в различных областях его применения свойства графита. На предприятии «Шунк Углеродная техника» процесс графитизации производится по технологии Ачесона. При этом методе материал помещается между двумя электродами и является сопротивлением во вторичной цепи трансформатора. Материал доводится до температуры графитизации с помощью резистивного нагрева. В процессе рекристаллизации формируются большие графитовые участки, придающие материалу свойства графита. Такие электрографиты проявляют хорошие антифрикционные свойства, высокую теплопроводность и улучшенную, в сравнении с не графитизированными материалами, устойчивость к коррозии. Графитовые материалы применяются там, где требуются, по отдельности или в комбинации, хорошие антифрикционные свойства, высокая химическая устойчивость, стойкость к колебаниям температуры и высокая химическая чистота. Низкочастотные индукционные печи для графитизации и вакуумные печи используются, прежде всего, для производства углеродных материалов на углеродо-волокнистой основе и для создания химически чистых материалов.

· при необходимости, импрегнирование, очистка, нанесение покрытий В заключение процесса изготовления, для получения специализированных свойств, материалы импрегнируют искусственной смолой, пеком или металлами. Импрегнирование искусственной смолой делает пористые структуры, возникшие в результате пиролиза вяжущих веществ, непроницаемыми для жидкостей и газов. Импрегнирование металлами повышает твёрдость и прочность материалов до показателя 2 — 5.

· Обработка в готовое изделие Классы искусственно созданных углеродных материалов постоянно расширяются, так как появляются новые отрасли в науке и промышленности, следовательно, конструкторы и технологи предъявляют более жесткие требования к данным материалам.

Развитие авиации и освоение космоса способствовало созданию углеродных волокон, состоящих практически из чистого углерода, обладающих относительно высокой прочностью, хемостойкостью, теплопроводностью и низкой плотностью.

Был создан принципиально новый класс конструкционных материалов — углепластиков —путем введения углеродных волокон в полимерные материалы. Они представляют собой композиционные материалы на основе полимерной матрицы, армированной непрерывными или дискретными углеродными волокнами. Углепластики TENAX квалифицированы для использования в авиалайнерах. Модель лыж от Audi предназначена для того, чтобы оптимизировать маневренность и скорость. Для этого при изготовлении был использован передовой материал — углепластик, благодаря которому лыжи длинной 170 см имеют вес 1550 г, отличающийся от других моделей на целых 200 г.

Углеродные конструкционные материалы (УКМ) отличаются от известных материалов более высокой удельной прочностью и жесткостью. Однако полимерные матрицы обладают низкой термостойкостью.

В последнее время в различных отраслях все чаще используются углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), содержащие углерод, как в виде наполнителя, так и в виде матричного материала. В УУКМ высокая температурная стойкость сочетается с малой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, стойкостью к тепловому удару. Эти материалы длительно работоспособны при высоких температурах. УУКМ может быть получен либо осаждением пироуглерода на углеродный волокнистый наполнитель, либо поочередно многократной пропиткой углепластика полимерным связующим и высокотемпературной обработкой. УУКМ применяются в авиаcтроении и автомобилестроении: тормозные диски.

К искусственно созданным углеродным материалам относятся: технический углерод (сажа), углеродные сорбенты и синтетические алмазы.