RU2200092C1 - Нанопористый металлуглеродный композит и способ его изготовления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к металлическим композиционным материалам, армированным углеродным упрочнителем, и может быть использовано для получения конструкционных изделий из мелкопористых мелкодисперсных композитов низкой плотности. Предложен металлуглеродистый композит, содержащий пористую основу из углеродного материала, и слой металла, размещенный в порах основы, которая выполнена в виде углеродной смеси, состоящей из расширенного графита и 10% нанотрубок углерода с присоединенными к ним свободными радикалами, причем слой металла размещен в приповерхностных порах основы. Нанотрубки имеют размер 1-10 нм, а свободные радикалы представляют собой С, С₂, С₃, С₄, C₅ и/или радикалы в виде одного или нескольких соединенных гаксагоналов и/или гексагоналов с присоединенными к ним радикалами вида С, С₂, С₃, С₄, С₅, а слой металла выполнен из никеля, или титана, или хрома, или железа, или радиоактивного металла. Способ получения металлуглеродного композита включает нанесение слоя металла на пористую основу из углеродного материала путем газофазной металлизации основы, причем процесс металлизации прекращают после полного заполнения открытых на поверхность основы пор металлом. Металлизацию основы осуществляют газофазным пиролизом таких соединений металла, как карбонил никеля, или карбонил хрома, или карбонил железа, или йодистый титан, а в качестве газа-носителя используют инертный газ. Техническим результатом изобретения является снижение удельного веса при повышении прочности композита. 2 с. и 5 з. п.ф-лы.

Description

Изобретение относится к композиционным материалам, в частности к металлическим композиционным материалам, армированным углеродным упрочнителем.

Известен композиционный материал, содержащий проницаемый наполнитель в виде порошка, хлопьев, пластинок, микросфер, усов, пузырьков, волокон, трубочек и т. п. мелких частиц из керамики, металла, стекла или полимера, пропитанный металлом (патент RU 2016702, В 22 F 3/26, 30.07.1994).

Данный материал получается путем пропитки проницаемого носителя расплавленным металлом, причем пропитка осуществляется путем затягивания в поры проницаемого носителя, в которых предварительно создан вакуум.

Недостатком данного материала является значительный удельный вес композита и его низкая пористость, что обусловлено выбором проницаемого наполнителя.

Недостатком известного способа изготовления композита является его ограниченная применимость, поскольку для легких мелкодисперсных мелкопористых материалов создание вакуума в порах неосуществимо.

Известен композиционный металлуглеродный материал, содержащий основу из активированного угля, пропитанную металлом, например железом (авторское свидетельство SU 1347973, В 01 J 37/02, 1990). Указанный композит получается путем пропитки активированного угля раствором хлорного железа и последующим осаждением ионов железа в порах аммиаком, сушки и прокаливания.

Однако пористость активированного угля, используемого в качестве основы, недостаточно высока и не обеспечивает желаемых свойств композита в отношении его удельного веса.

Недостатком способа является невозможность его применения для изготовления мелкопористых мелкодисперсных композитов, поскольку в поры порядка нанометров затруднено проникновение жидкости.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение удельного веса композита за счет выбора основы с большой удельной пористостью и уменьшение содержания металла в композите, а также упрощение способа изготовления композита.

Поставленная задача решается тем, что в металлуглеродном композите, содержащем пористую основу из углеродного материала и слой металла, размещенный в порах основы, основа выполнена в виде углеродной смеси, состоящей из расширенного графита и нанокристаллов углерода, причем содержание нанокристаллов углерода в смеси не менее 10%, а слой металла размещен в приповерхностных порах основы.

При этом нанокристаллы представляют собой нанотрубки размером 1-10 нм с присоединенными к ним свободными радикалами С, С₂, С₃, С₄, С₅ и/и радикалами в виде одного или нескольких соединенных гексагоналов и/или гексагоналов с присоединенными к ним радикалами вида С, С₂, С₃, С₄ и C₅.

В частных случаях слой металла выполнен из никеля, или титана, или хрома, или железа, или радиоактивного металла.

Поставленная задача решается также тем, что в способе получения металлуглеродного композита, включающем нанесение слоя металла на пористую основу из углеродного материала, в качестве основы используют углеродную смесь высокой реакционной способности, а нанесение слоя металла осуществляют путем газофазной металлизации основы, причем процесс металлизации прекращают после полного заполнения открытых на поверхность основы пор металлом.

При этом металлизацию основы осуществляют газофазным пиролизом соединений металла.

В частности, в качестве соединения металла используют карбонил никеля, или карбонил хрома, или карбонил железа, или йодистый титан.

Как правило, в качестве газа-носителя используют инертный газ.

Композит (композиционный материал) представляет собой материал, сочетающий малый удельный вес, характерный для углеродной смеси высокой реакционной способности, и высокую прочность, обусловленную наличием слоя металла только в порах приповерхностного слоя, а также имеющий поверхность, обладающую свойствами металлической поверхности.

Основой композита является углеродная смесь высокой реакционной способности, основной состав которой - нанокристаллы углерода с присоединенными к ним радикалами вида С-C₅. Углеродная смесь высокой реакционной способности в исходном состоянии представляет собой вещество в виде порошка, частицы которого представляют собой гранулы с размерами порядка десятков мкм, имеющие на поверхности вытянутую волокнистую структуру, подобную мочалу, с диаметром волокон порядка единиц и даже долей мкм с присоединенными к ним радикалами углерода С-С₅ с наноструктурными порами. Толщина слоя сплава металлов может варьироваться от долей микрометров до десятков микрометров при неизменном размере пор. Конкретная толщина слоя выбирается исходя из требований по прочности конструкции.

Процесс изготовления металлуглеродного композита заключается в нанесении на поверхность пор слоев металла до полного заполнения пор приповерхностного слоя. Нанесение осуществляется газофазным пиролизом соединений указанных металлов в вертикальном реакторе, в котором располагается формообразующая кварцевая изложница, в которую насыпается углеродная смесь. Через смесь насосом прокачивается карбонил никеля, или карбонил хрома, или карбонил железа, или йодистый титан, или соединение другого металла. В качестве газа-носителя используется инертный газ.

Путем уплотнения углеродной смеси в изложнице перед газофазным нанесением слоев можно регулировать размер пор.

Углеродная смесь высокой реакционной способности может быть получена одним из известных способов, описанных в патенте RU 2163883, опубл. 10.03.2001.

Согласно описанной в указанном патенте технологии химическая обработка исходного графитосодержащего сырья (природного чешуйчатого графита или графита в виде порошка) производится галогенкислородными соединениями общей формулы МХО_n, где: М - одно из химических веществ ряда: Н, NH₄, Na, К; X - одно из химических веществ ряда: Cl, Br, J; a n=1-4, с образованием инициирующих комплексов, способных в результате или фотохимического, или электрохимического, или механического, или термохимического, или сонохимического, или прямого химического воздействия к экзотермическому взрывообразному разложению с последующим инициированием автокаталитического процесса распада соединения. Инициирующие комплексы вводятся в межслоевые пространства графита, инициируется их взрывообразное разложение и происходит разрыв не только Ван-дер-Ваальсовых, но и ковалентных связей с образованием так называемой углеродной смеси высокой реакционной способности (УСВР).

Процесс преобразования графита осуществляется в любой емкости (сосуде и т.п.), в том числе возможен и без доступа кислорода.

Процесс преобразования графита (разрыв Ван-дер-Ваальсовых связей) осуществляется под воздействием микровзрывов вводимых в межслойные пространства графита взрывчатых веществ, в данном случае названных инициирующими комплексами. Взрывчатое вещество находится в межслойном пространстве на молекулярном уровне и химическим путем инициируется до взрыва. В результате энергий, высвобождаемых микровзрывом, происходят разрывы не только Ван-дер-Ваальсовых связей, но и межатомарных связей с образованием углеродных наноструктур (нанотрубок) с присоединенными к ним не только свободными радикалами С, С₂, С₃, С₄, C₅, но и радикалами в виде гексагоналов (одного или нескольких) с присоединенными к ним радикалами вида С, С₂, С₃, С₄ и С₅, обеспечивающих в совокупности высокую реакционную способность получаемой углеродной смеси.

Claims (7)

1. Металлуглеродистый композит, содержащий пористую основу из углеродного материала и слой металла, размещенный в порах основы, отличающийся тем, что основа выполнена в виде углеродной смеси, состоящей из расширенного графита и нанотрубок углерода с присоединенными к ним свободными радикалами, причем содержание нанотрубок в смеси не менее 10%, а слой металла размещен в приповерхностных порах основы.

2. Композит по п. 1, отличающийся тем, что нанотрубки имеют размер 1-10 нм, а свободные радикалы представляют собой С, С₂, С₃, С₄, С₅ и/или радикалы в виде одного или нескольких соединенных гексагоналов и/или гексагоналов с присоединенными к ним радикалами вида С, C₂, С₃, С₄, C₅.

3. Композит по п. 1 или 2, отличающийся тем, что слой металла выполнен из никеля, или титана, или хрома, или железа, или радиоактивного металла.

4. Способ получения металлуглеродного композита, включающий нанесение слоя металла на пористую основу из углеродного материала, отличающийся тем, что в качестве основы используют углеродную смесь высокой реакционной способности, содержащую нанотрубки с присоединенными к ним свободными радикалами, а нанесение слоя металла осуществляют путем газофазной металлизации основы, причем процесс металлизации прекращают после полного заполнения открытых на поверхность основы пор металлом.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что металлизацию основы осуществляют газофазным пиролизом соединений металла.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве соединения металла используют карбонил никеля, или карбонил хрома, или карбонил железа, или йодистый титан.

7. Способ по п. 5 или 6, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют инертный газ.