Область техники.

Изобретение относится к композиционным полимерным материалам, конкретно, к способам получения композиционного материала на основе керамообразующего полимера и наполнителя в виде ковалентного соединения.

Полученный предлагаемым способом композиционный материал может быть использован в машиностроении, предприятиях авиационной, пищевой, химической, нефтедобывающей и нефтепере- рабатывающей промышленности.

Предшествующий уровень техники

Известен способ изготовления катодной фольги, включающий нанесение на алюминиевую основу пористого слоя титана методом вакуумного напыления путем электронно-лучевого испарения титана, с последующей конденсации в газовой среде (см. патент РФ 2313843 по кл. H01G9/058.2006).

Получаемая катодная фольга электролитического конденсатора (композиционное покрытие) содержит на алюминиевой основе пористый слой титана, толщина которого составляет 0,5-^5,0 мкм и состоящий из кристаллитов и блоков кристаллитов, толщина выступов и впадин которых равна 0,01-4,0 мкм.

Известный способ, предусматривающий нанесение промежуточного слоя пористого титана, приводит к загрязнению конденсата примесями, попадающими в него из материалов испарителя, и возникает негомогенность и многофазность титанового покрытия, в котором присутствует до 30% неравновесных окислов титана и активного кислорода. Структура покрытия нитрида титана представляет собой неплотно сросшиеся зерна. Вследствие этого, границы срастания зерен (неплотности), состоящие в основном из неравновесных включений и чистого титана промежуточного слоя, становятся активными к кислороду воздуха. Это приводит к тому, что при извлечении из вакуумной камеры титан промежуточного слоя окисляется кислородом воздуха с образованием пленки оксидов титана, что со временем приводит к заращиванию пор и уменьшению удельной емкости.

Известно устройство для получения ультрадисперсных композиционных порошков методом испарения металла и последующей конденсацией ( патент РФ Ν° 2167743, B22F9/12,1999r)

В основе известного способа лежат процессы, происходящие в катодном пятне вакуумного дугового разряда. Благодаря высокой плотности катодного тока процесс нагрева и испарения металла носит взрывной характер. В результате микровзрывного испарения поверхности катода материал катода без изменения химического состава с большой скоростью переносится на поверхность конденсации. Продукты эрозии содержат электроны, ионы, нейтральные атомы и микрокапельную фракцию, размеры частиц в которой варьируются от нескольких атомных порядков до нескольких микрометров.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ получения композиционного материала, включающий подготовку шихты, состоящей из керамообразующего полимера и наполнителя, испарение ее компонентов в вакууме с последующей конденсацией, и поликонденсацию полимеризацию ( см.патент РФ Na 2106204, Кл.В05Б1/34, 1996г)

Известный способ позволяет получать тонкий материал.

Однако, известный способ обладает рядом недостатками :

- низкая производительность способа испарения наполнителя, например, электроннолучевым или лазерным воздействием;

- исключена возможность испарения ковалентных соединений, нитридов, карбидов, оксидов оксикарбонитридов и др.;

- проведение поликонденсации полимеризации пиролизом не позволяет заполимеризовать керамообразующие полимеры, содержащие ковалентные соединения, такие как или полисилазан (S13N3C12H22), или поликарбосилан ((SiCo.sCisEba) , или раствор аминборана в гидрофуране ( BH3NH3 );

-поликонденсация (соконденсация) в вакууме не всегда позволяет осуществлять химические взаимодействия керамообразующего полимера и наполнителя;

- поликонденсации полимеризации пиролизом не возможно провести с керамообразующим полимером, неполимеризующимся без наноразмерных включений - центров поликонденсации полимеризации.

Общим недостатком вышеуказанных способов получения композиционных материалов осуществляемых методом испарения компонентов из паровой (газовой) фазы с последующей конденсацией является не возможность получения объемных композиционных материалов.

Раскрытие сущности предлагаемого изобретения.

Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением, является создание способа получения композиционного материала, позволяющего получать объемные конструкционные композиты с высокими прочностными и функциональными свойствами при технологически достижимых параметрах.

Технический результат в предлагаемом изобретение достигают созданием способа получения композиционного материала, включающего подготовку шихты, состоящей из керамообразующего полимера и наполнителя, испарение ее компонентов в вакууме с последующей конденсацией, и поликонденсацию полимеризацию, в котором, согласно изобретению, конденсацию проводят в газовой среде высокого давления с одновременной обработкой низкотемпературной плазмой емкостного разряда, при этом в качестве наполнителя используют ковалентные соединения, имеющие гексагональную упаковку, и испарение наполнителя производят путем бомбардирования его нейтральными атомами, например, или азота, или кремния, или водорода, в качестве керамо образующего полимера используют соединения, у которых температура испарения ниже температуры их диссоциации.

Использование в качестве керамообразующего полимера соединений, у которых температура испарения ниже температуры их диссоциации, не позволяет происходить распаду соединений на элементы, а в газовой фазе не происходит их химическое соединение В качестве таких полимеров могут быть использованы, например, или полисилазан (S13N3C12H22), или поликарбосилан (SiCo,8CisH32), или раствор аминборана в гидрофуране ( BH3NH3 ).

Использование в качестве наполнителя ковалентных соединений, имеющих гексагональную упаковку, позволяет легко взаимодействовать с испаренным полимером, т.к. гексагональная фаза обладает самой слабой химической связью между элементами.

В качестве таких ковалентных соединений могут быть использованы, например, или сиалон (SiAlON), или карбид кремния (SiC), или нитрид бора (ΒΝ3),4το позволит увеличить содержание керамики в керамообразующем полимере, а следовательно, повысить свойства получаемого композиционного материала.

Проведение поликонденсацию полимеризацию в газовой среде под давлением 1-20000атм при температуре 20-2000°С в течении 10-60 мин позволяет получать композиционный материал с наноструктурным наполнителем и с высокими прочностными свойствами.

Предлагаемым способом дополнительно может быть получен промежуточный продукт, конденсат, который может быть использован самостоятельно.

Проведенные испытания показали, что только при таких режимах ведения поликонденсацию полимеризацию можно получить заданный технический результат.

Отклонения от предлагаемых режимов в сторону увеличения или уменьшения интервалов приводит к увеличению времени обработки, ухудшению физико- механических свойств и т.д.

Поликонденсацию полимеризацию без использования предлагаемого наполнителя нельзя провести даже при давление 2000атм

Увеличение верхнего предела давления, более 20000атм, не возможно, поскольку не существует конструкционных материалов выдерживающих давление свыше 20000атм.

Давление меньше 1атм процесс не будет происходить.

Выбор температурных пределов связан с парциональным давлением полимера, если :

- ниже температуры 20°С - температуры не достаточно для образования полимерных связей ,

- выше температуры 2000°С - полимеризационные связи неустойчивы, а давления не достаточно для стабилизации процесса.

Время выдержки выбирают в зависимости от полноты протекания процесса в объеме композита.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения идентичные заявленному способу получения композиционного материала, а, следовательно, предложенное решение, соответствует критерию « новизна».

Считаем, что сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, а, следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки достаточно для практического осуществления изобретения.

Лучший пример выполнения предлагаемого изобретения.

Пример 1 В качестве компонентов шихты были взяты в жидком виде :

Керамообразующий полимер - полисилазан (S13N3C12H22) с содержанием нитрида кремния до 60 об.%

Наполнитель - нано дисперсный сиалон ( SiAlON) в количестве 10-15 об.%

В предлагаемом способе используют ранее известный способ, а именно, обработку низкотемпературной плазмой емкостного разряда, в значения которой для предлагаемого способа могут быть любыми и зависят от технологических возможностей.

Сначала проводили испарение в вакууме полисилазана (S13N3C12H22) и сиалон (SiAlON).

Причем сиалон (SiAlON) испаряли путем его бомбардирования нейтральными атомами азота при напряжении до 3,2 Кэв

Затем компоненты подавались в камеру конденсации с плазмой емкостного разряда при температуре - 1 -9°С химически инертным шнеком со скоростью вращения 800-1200об/мин.

Полученный конденсат подвергали количественному анализу на керамообразующую составляющую, которая колебалась в интервале от 55 до 87об %.

Были измерены температуры кипения конденсата, температуры замерзания, теплоемкость, вязкость, коэффициент термического расширения.

Измерения показали нелинейное увеличение этих параметров в зависимости от концентрации нано дисперсного, введенного в керамообразующий полимер, наполнителя в среднем на 45-67%.

Для получения композиционного материала полученный конденсат подвергали поликонденсации полимеризации в газовой среде под давлением 145атм при температуре 350°С в течении 30 мин.

Был получен композиционный материал с содержанием керамической компоненты выше, чем исходного керамообразующего полимера на 10-15 %, т.к. после поликонденсации полимеризации 10- 15об.% сиалона в процессе реакции усвоено полимером, и поэтому в полученном композиционном материале керамическая составляющая стала 70-75 об.%

У полученного материала значительно: повышена температура кипения, снижена температура замерзания, повышена теплоемкость, что значительно позволяет повысить характеристики теплоносителя.

Пример 2. В качестве компонентов шихты были взяты в жидком виде :

Керамообразующий полимер - поликарбосилан (SiCo.sCisIfo) с содержанием карбида кремния до 57 об.%

Наполнитель - нанодисперсный сикон (SiMgCON) в количестве 10-15 об.%

Сначала проводили испарение в вакууме поликарбосилан (SiCo,8 С18Н32) и сикон (SiMgCON).

Причем сикон (SiMgCON) испаряли путем его бомбардировки нейтральными атомами аргона при напряжении до 4,8 Кэв

Затем компоненты подавали в камеру конденсации с плазмой емкостного разряда при температуре до -12° С шнеком со скоростью вращения до 1500- 1800 об/мин.

Полученный конденсат подвергался количественному анализу на содержание керамической составляющей.

Затем проводили поликонденсацию полимеризации под давлением аргона от 18 до 13000атм в зависимости от концентрации оксикарбонитридной фазы.

Физико-химические испытания показали не линейное увеличение температуры испарения, модуля упругости, предела прочности в среднем на 75-80%.

Пример 3 В качестве компонентов шихты были взяты в жидком виде :

Керамообразующий полимер - раствор аминборана в гидрофуране (ВНзЫНз) с содержанием водорода до 18 об.%

Наполнитель - нанодисперсный гидрид бора (BN3) в количестве 10-15 об.%

Сначала проводили испарение в вакууме раствора аминборана в гидрофуране (BH3 H3) и гидрида бора (BN3)

Причем гидрид бора (В )испаряли путем его бомбардировки нейтральными атомами водорода при напряжении до 6,82 Кэв

Затем подавали в камеру конденсации с плазмой емкостного разряда шнеком со скоростью вращения до ЗОООоб/мин при температуре - 196°С.

Полученный конденсат подвергали поликонденсации полимеризации под давлением водорода до 2000атм и температуре 50-400°С в течение 45 мин.

Химический количественный анализ показал увеличение концентрации водорода в полимере с 18,7% (NH ₃ BN ₃ ) до 31-33 %., т.е. полимер становиться экологически чистым топливом.

Пример 4 В качестве компонентов шихты были взяты в жидком виде :

Керамообразующий полимер - поликарбосилан (S13N3C12H22) с содержанием карбида кремния до 57 об.% Наполнитель - нанодисперсный карбид кремния (SiC) в количестве 10-15 об.%.

Сначала проводили испарение в вакууме поликарбосилана (SiCo,8Ci8H32) и карбида кремния (SiC).

Причем карбид кремния (SiC) испаряли путем его бомбардировки нейтральными атомами азот при напряжении до 5,2 Кэв.

Затем компоненты подавали в камеру конденсации с плазмой емкостного разряда при температуре до - 15°С шнеком со скоростью вращения до 1600-1800 об/мин.

Полученный конденсат подвергался количественному анализу на содержание керамической составляющей.

Затем проводили поликонденсацию полимеризации под давлением аргона от 18 до 15000атм в зависимости от дисперсности испаряемого наполнителя.

Промышленная применимость.

Физико-химические испытания показали не линейное увеличение температуры испарения, модуля упругости, предела прочности в среднем на 75-80%.Химическая инертность в контакте с агрессивными средами возросла на 15%