FR2737490A1 - CARBONIZATION PROCESS FOR OBTAINING CARBON / CARBON COMPOSITES OF PHENOLIC ORIGIN - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de carbonisation pour l'obtention de composites carbone/carbone provenant d'une résine phénolique, dans lequel on utilise un métal ou alliage à bas point de fusion (3) et un matériau de la garnissage (2), afin de former un système isolé vis-à-vis de l'environnement, un effet de différence de pression et un effet de dispersion à sens unique étant ainsi créés; l'air contenu dans le système et les gaz produits pendant la carbonisation peuvent être évacués vers l'extérieur; un état de pseudo-vide est ainsi créé, ce qui empêche l'oxygène d'attaquer les composites carbone/carbone pendant leur production. On bénéficie ainsi d'une réduction du temps de carbonisation et du coût de production, d'une augmentation du taux de carbonisation des produits, d'un abaissement de la pollution, d'une simplification du fonctionnement et d'un abaissement du coût des équipements.The invention relates to a carbonization process for obtaining carbon / carbon composites from a phenolic resin, in which a low-melting point metal or alloy (3) and a lining material (2) are used, in order to form an isolated system from the environment, a pressure difference effect and a one-way dispersion effect being thereby created; the air contained in the system and the gases produced during carbonization can be exhausted to the outside; a pseudo-vacuum state is thus created, which prevents oxygen from attacking the carbon / carbon composites during their production. This results in a reduction in the carbonization time and production cost, an increase in the carbonization rate of the products, a reduction in pollution, a simplification of the operation and a reduction in the cost of equipment.

Description

PROCEDE DE CARBONISATION POUR L'OBTENTION DE COMPOSITESCARBONIZATION PROCESS FOR OBTAINING COMPOSITES

CARBONE/CARBONE D'ORIGINE PHENOLIQUE  CARBON / CARBON OF PHENOLIC ORIGIN

La présente invention a trait à un procédé pour la production de composites carbone/carbone à partir de produit(s) phénolique(s) en utilisant un système de vide à sens unique formé d'un métal à bas point de fusion et  The present invention relates to a process for the production of carbon / carbon composites from phenolic product (s) using a one-way vacuum system formed of a low-melting metal and

d'un sable de garnissage.of a filling sand.

On désigne ici par "composites carbone/carbone" des matériaux obtenus à partir d'une matrice de résine renforcée de fibres de carbone et contenant une teneur élevée en élément carbone, la matrice de résine étant carbonisée afin de transformer la matrice de résine renforcée en matière carbonée pour obtenir un composite de qualité élevée tant pour la résistance aux  The term "carbon / carbon composites" denotes materials obtained from a matrix of resin reinforced with carbon fibers and containing a high content of carbon element, the resin matrix being carbonized in order to transform the matrix of reinforced resin into carbonaceous material to obtain a high quality composite both for resistance to

températures élevées que pour la résistance à l'abrasion.  high temperatures as for abrasion resistance.

A ce jour, les procédés pour produire des composites carbone/carbone, à partir des divers matériaux précurseurs utilisés, comprennent un dépôt chimique en phase vapeur (CVD), une pyrolyse à basse pression et une mise sous presse chaude isostatique ou un procédé mixte de ceux-ci; si l'on utilise une résine phénolique en tant que précurseur, on utilise, pour la carbonisation, la pyrolyse à basse pression et on produit ainsi les composites carbone/carbone; selon la présente invention,  To date, the processes for producing carbon / carbon composites, from the various precursor materials used, include chemical vapor deposition (CVD), low pressure pyrolysis, and isostatic hot press or a combination process. thereof; if a phenolic resin is used as a precursor, low pressure pyrolysis is used for carbonization, and the carbon / carbon composites are thus produced; according to the present invention,

on prend la résine phénolique comme précurseur.  phenolic resin is used as a precursor.

Lorsqu'on produit des composites carbone/carbone, c'est fondamentalement pour éliminer les éléments non carbone (tels que l'oxygène, l'hydrogène, l'azote et le soufre, etc.) de la résine, et ne laisser que l'élément carbone pour le disposer en séquence et le rendre structurel. En conséquence, on doit empêcher une attaque par l'oxygène au cours du procédé de carbonisation, de façon à empêcher l'élément carbone (C) et l'oxygène (O) de réagir pour former de l'oxyde de carbone (CO) ou du dioxyde de carbone (COl) qui se volatiliseraient vers l'extérieur et empêcheraient la carbonisation. En conséquence, actuellement, on utilise un gaz inerte tel que l'azote (N2) ou l'argon (Ar) dans le système de carbonisation afin d'empêcher l'air d'entrer dans le système; et, en outre, on élimine, dans le procédé de carbonisation, les éléments non-carbone, de façon à ne  When producing carbon / carbon composites, it is basically to remove the non-carbon elements (such as oxygen, hydrogen, nitrogen and sulfur, etc.) from the resin, and leave only the element carbon to arrange it in sequence and make it structural. Therefore, an oxygen attack must be prevented during the carbonization process, so as to prevent the carbon element (C) and the oxygen (O) from reacting to form carbon monoxide (CO) or carbon dioxide (COl) which would volatilize outward and prevent carbonization. Accordingly, currently an inert gas such as nitrogen (N 2) or argon (Ar) is used in the carbonization system to prevent air from entering the system; and, in addition, the non-carbon elements are removed in the carbonization process so that

pas les laisser réagir avec l'élément carbone.  not let them react with the carbon element.

Actuellement, le procédé pour produire des composites carbone/carbone possède les inconvénients suivants: 1. Le temps pour le procédé de carbonisation à une température de 25 C à 10000C est très long, environ 60 heures, d'o une vitesse de production très lente, ce qui  Currently, the process for producing carbon / carbon composites has the following disadvantages: 1. The time for the carbonization process at a temperature of 25 C to 10000C is very long, about 60 hours, hence a very slow production rate , what

engendre un coût et un prix élevés des produits.  generates a high cost and a high price of the products.

2. Les volumes d'azote et d'argon utilisés sont  2. The volumes of nitrogen and argon used are

importants, ce qui augmente également le coût.  important, which also increases the cost.

3. Un état d'étanchéité approprié est nécessaire pour empêcher l'air d'entrer dans le système de carbonisation, d'o en découle également un coût élevé  3. A proper sealing condition is necessary to prevent air from entering the carbonization system, which also results in high cost

pour l'équipement destiné à maintenir le vide.  for equipment intended to maintain the vacuum.

4. Le gaz inerte doit être alimenté en continu pour le système de carbonisation; l'écoulement du gaz inerte rend difficile de maintenir une température uniforme dans le système de carbonisation, de sorte que les produits à l'intérieur de la zone de chauffage auront un taux de défauts élevé en raison de l'"effet de  4. The inert gas must be fed continuously for the carbonization system; the flow of the inert gas makes it difficult to maintain a uniform temperature in the carbonization system, so that the products within the heating zone will have a high defect rate because of the "effect of

température concentrée" induit par un chauffage inégal.  concentrated temperature "induced by uneven heating.

5. Les gaz ou poussières dans le système de production sont évacués directement hors du système de carbonisation et engendrent une pollution, ceci ne satisfait certainement pas à la réglementation de  5. Gases or dust in the production system are discharged directly from the carbonization system and cause pollution, this certainly does not satisfy the regulation of

protection de l'environnement.Environmental Protection.

En conséquence, l'inventeur de la présente invention a effectué des études approfondies au vu des inconvénients inhérents aux procédés classiques de production, et il a proposé le procédé de la présente invention pour produire des composites carbone/carbone provenant d'une résine phénolique en utilisant un système de vide à sens unique formé grâce à un métal à bas point  Accordingly, the inventor of the present invention has made extensive studies in view of the drawbacks inherent in conventional production processes, and has proposed the method of the present invention to produce carbon / carbon composites derived from a phenolic resin in using a one-way vacuum system formed by a low-point metal

de fusion et un sable de garnissage.  melting and packing sand.

Le but de la présente invention est de fournir un procédé pour produire des composites carbone/carbone provenant d'une résine phénolique en utilisant un système de vide à sens unique formé d'un métal à bas point de fusion et d'un sable de garnissage. Dans ce procédé, on forme un système isolé de l'environnement avec un métal ou un alliage à bas point de fusion et un matériau de garnissage, afin de produire un effet de différence de pression et un "effet de dispersion à sens unique"; l'air contenu dans le système et le gaz produit au cours du procédé peuvent être évacués vers l'extérieur, et on peut empêcher l'oxygène d'attaquer les composites carbone/carbone au cours de leur procédé de production des composites. On peut obtenir, de façon avantageuse, une réduction du temps de carbonisation et du coût de production, une élévation du taux de carbonisation des produits, un abaissement de la pollution, une simplification de l'opération ainsi qu'un abaissement du  The object of the present invention is to provide a process for producing carbon / carbon composites derived from a phenolic resin using a one-way vacuum system formed of a low melting point metal and a packing sand. . In this process, a system isolated from the environment with a low-melting metal or alloy and a packing material is formed to produce a pressure difference effect and a "one-way dispersion effect"; the air contained in the system and the gas produced during the process can be vented to the outside, and oxygen can be prevented from attacking the carbon / carbon composites during their composites production process. Advantageously, a reduction of the carbonization time and the cost of production, an increase in the carbonization rate of the products, a lowering of the pollution, a simplification of the operation as well as a lowering of the

coût des équipements.cost of equipment.

Dans le procédé de production de composite carbone/carbone provenant d'une résine phénolique utilisant le système de vide à sens unique formé du métal à bas point de fusion et du sable de garnissage, on met une quantité prédéterminée de matériau ou de sable de garnissage dans une boite de traitement thermique, on enfonce le matériau à carboniser dans le matériau de garnissage, sur lequel ôn met un métal ou un alliage à bas point de fusion et on chauffe en continu pour le fondre afin de recouvrir complètement les surfaces du matériau de garnissage; un effet de différence de pression et un "effet de dispersion à sens unique" peuvent être ainsi créés: l'air contenu dans le système et le gaz produit au cours du procédé de carbonisation peuvent être évacués vers l'extérieur. On peut ainsi obtenir un état de pseudo-vide ayant le meilleur effet en tant que caractéristique dans le procédé de carbonisation. La présente invention apparaitra dans son principe, ses caractéristiques et ses avantages, à la lecture de la  In the process of producing a carbon / carbon composite from a phenolic resin using the one-way vacuum system formed of the low melting point metal and the packing sand, a predetermined amount of packing material or sand is applied in a heat treatment box, the material to be carbonized is pressed into the packing material, on which a low-melting point metal or alloy is placed and heated continuously to melt it to completely cover the surfaces of the material of packing; a pressure difference effect and a "one-way dispersion effect" can thus be created: the air contained in the system and the gas produced during the carbonization process can be discharged to the outside. It is thus possible to obtain a pseudo-vacuum state having the best effect as a characteristic in the carbonization process. The present invention will appear in principle, its features and its advantages, on reading the

description détaillée de son mode de réalisation préféré  detailed description of its preferred embodiment

en se référant au dessin annexé.with reference to the accompanying drawing.

Sur ce dessin: la figure 1 est une vue schématique d'une mise en oeuvre de la présente invention avant le procédé de carbonisation, montrant le garnissage; la figure 2 est une vue présentant la mise en oeuvre de la présente invention au début du chauffage à 200 C; à ce stade, l'air contenu dans le système et le gaz produit au cours du procédé de carbonisation peuvent être évacués en raison du chauffage; la figure 3 est une vue présentant la mise en oeuvre de la présente invention lors du chauffage à 200 C-400 C; le métal est fondu afin de recouvrir complètement les surfaces du matériau de garnissage, et la matière à carboniser commence à être carbonisée; la figure 4 est une vue présentant la mise en oeuvre de la présente invention lors du chauffage à 400-1000 C; à ce stade, P1 > PO (décrit ci-après): le gaz contenu dans le système peut être évacué vers l'extérieur, alors que le gaz de l'environnement ne peut pas entrer dans le système, et le procédé de carbonisation se poursuit; la figure 5 est une vue présentant la mise en oeuvre de la présente invention lors du refroidissement de 1000 C à 25 C; à ce stade, le métal se solidifie, le gaz de l'environnement ne peut pas entrer dans le système, et  In this drawing: Figure 1 is a schematic view of an implementation of the present invention prior to the carbonization process, showing the packing; Figure 2 is a view showing the implementation of the present invention at the beginning of heating at 200 C; at this stage, the air contained in the system and the gas produced during the carbonization process can be evacuated due to heating; Figure 3 is a view showing the implementation of the present invention during heating at 200 C-400 C; the metal is melted to completely cover the surfaces of the packing material, and the material to be carbonized begins to be charred; Figure 4 is a view showing the implementation of the present invention during heating at 400-1000 C; at this point, P1> PO (described below): the gas contained in the system can be discharged to the outside, while the environmental gas can not enter the system, and the carbonization process is continues; Figure 5 is a view showing the implementation of the present invention during the cooling of 1000 C to 25 C; at this point, the metal solidifies, the environmental gas can not enter the system, and

le procédé complet est achevé.the complete process is complete.

On se réfère d'abord à la figure 1, sur laquelle on voit une boite de traitement thermique 1, un matériau de garnissage 2, qui est normalement du sable siliceux ou un autre sable résistant à des températures élevées, un métal ou alliage 3 à bas point de fusion et un matériau à  Referring first to Figure 1, which shows a heat treatment box 1, a packing material 2, which is normally silica sand or other sand resistant to high temperatures, a metal or alloy 3 to low melting point and a material to

carboniser 4.carbonize 4.

Comme représenté sur le dessin, on place une quantité prédéterminée de matériau de garnissage 2 dans la boite 1 de traitement thermique. Dans le matériau de garnissage 2, on enfonce le matériau à carboniser 4, et on place le métal ou l'alliage 3 sur le matériau de garnissage 2. Ensuite on chauffe en continu (comme illustré sur la figure 2) la boîte de traitement thermique 1 qui est placée dans un dispositif de chauffage. Les gaz contenus dans le système et produits au cours du procédé de carbonisation commencent alors à être évacués vers l'extérieur. Lorsqu'on monte la température par chauffage jusqu'à 200 C-400 C, le métal ou l'alliage 3 à bas point de fusion fond pour recouvrir complètement les surfaces du matériau de garnissage 2 (comme représenté à la figure 3), ce qui empêche l'air d'entrer dans le système, et la réaction de carbonisation commence. A ce stade, la pression P1 dans le système est supérieure à la pression PO de l'environnement car la pression des gaz chauds est élevée, ce qui empêche ainsi le gaz extérieur d'entrer dans le système. Lorsque la carbonisation est achevée, la température revient à la température ambiante de 25 C (comme l'état représenté à la figure 5); au cours du processus d'abaissement de la température, le gaz extérieur ne peut pas rentrer non plus dans le système et le métal fondu 3 retrouve ensuite son état solide d'origine. Dans le procédé ci-dessus, la carbonisation se déroule totalement dans un état de pseudo-vide, ce qui assure que le matériau 4 de carbonisation ne subit pas  As shown in the drawing, a predetermined amount of packing material 2 is placed in the heat treatment box 1. In the packing material 2, the material to be carbonized 4 is pressed, and the metal or alloy 3 is placed on the packing material 2. Then, the heat treatment box is heated continuously (as illustrated in FIG. 2). 1 which is placed in a heating device. The gases contained in the system and produced during the carbonization process then begin to be discharged to the outside. When the temperature is raised by heating to 200 C-400 C, the low melting point metal or alloy 3 melts to completely cover the surfaces of the packing material 2 (as shown in FIG. which prevents air from entering the system, and the carbonization reaction begins. At this stage, the pressure P1 in the system is higher than the pressure PO of the environment because the pressure of the hot gases is high, thus preventing the outside gas from entering the system. When the carbonization is complete, the temperature returns to ambient temperature of 25 C (as the state shown in Figure 5); during the process of lowering the temperature, the external gas can not enter the system either and the molten metal 3 then returns to its original solid state. In the above process, the carbonization proceeds completely in a pseudo-vacuum state, which ensures that the carbonization material 4 does not suffer.

d'attaque par l'oxygène.attack by oxygen.

Le matériau de garnissage 2 normalement utilisé est du sable et, en particulier, du sable siliceux ou un autre sable résistant aux températures élevées, l'espace entre chaque grain du sable de garnissage peut être utilisé pour absorber le matériau volatilisé au cours de la carbonisation et peut maintenir la température de façon à réduire le temps pour la carbonisation (plus  The packing material 2 normally used is sand and, in particular, silica sand or other high temperature resistant sand, the space between each grain of the packing sand may be used to absorb the volatilized material during carbonization. and can maintain the temperature so as to reduce the time for carbonization (more

rapide en production).fast in production).

De plus, la présente invention utilise un mode de chauffage indirect; le chauffage peut être produit à l'aide d'un four classique de traitement thermique, aucun vide n'est nécessaire: ceci peut réduire largement le coQt d'équipement. La température au cours du traitement thermique est uniformément répartie: aucun "effet de  In addition, the present invention uses an indirect heating mode; the heating can be produced using a conventional heat treatment furnace, no vacuum is needed: this can greatly reduce the cost of equipment. The temperature during the heat treatment is uniformly distributed: no "effect of

température concentrée" ne sera induit dans les produits.  concentrated temperature "will not be induced in the products.

De plus, les micro-poussières produites au cours de la carbonisation peuvent être filtrées et recueillies à l'aide du matériau de garnissage 2: aucune pollution ne  In addition, the micro-dusts produced during the carbonization can be filtered and collected using the packing material 2: no pollution

sera créée par le gaz évacué.will be created by the evacuated gas.

Dans la présente invention, le métal 3 à bas point de fusion et le matériau ou sable de garnissage 2 peuvent tous être récupérés pour une réutilisation: la création de déchets peut donc être réduite et les coûts de  In the present invention, the low melting point metal 3 and the packing material or sand 2 can all be recovered for reuse: the waste creation can therefore be reduced and the costs of

production peuvent ainsi être abaissés.  production can be lowered.

De plus, le procédé selon la présente invention fournit l'avantage d'une grande facilité de fonctionnement et d'une grande simplicité dans la mise en oeuvre. En résumé, la présente invention utilise le métal à bas point de fusion et le matériau de garnissage afin de former un système isolé de l'environnement et pour produire ainsi un effet de différence de pression et un effet de dispersion à sens unique; l'air contenu dans le système et les gaz produits au cours du procédé de carbonisation peuvent être évacués vers l'extérieur; on peut ainsi obtenir un état de pseudo-vide, et on peut empêcher l'oxygène d'attaquer les composites carbone/carbone au cours du procédé de production desdits composites. On peut obtenir, comme avantage, la réduction du temps de carbonisation et du coût de production, en améliorant le rendement de carbonisation des produits (96,8% peuvent être obtenus à 1000 C) avec un abaissement de la pollution, une simplification de fonctionnement et  In addition, the method according to the present invention provides the advantage of great ease of operation and great simplicity in the implementation. In summary, the present invention utilizes the low melting point metal and the packing material to form a system isolated from the environment and thereby to produce a pressure difference effect and a one-way dispersion effect; the air contained in the system and the gases produced during the carbonization process can be discharged to the outside; it is thus possible to obtain a pseudo-vacuum state, and the oxygen can be prevented from attacking the carbon / carbon composites during the production process of said composites. As a benefit, the reduction of the carbonization time and the cost of production can be obtained by improving the carbonization yield of the products (96.8% can be obtained at 1000 ° C.) with a lowering of the pollution, a simplification of operation. and

un abaissement du coût des équipements.  lowering the cost of equipment.

L'invention ayant été ainsi décrite, il est évident que de nombreux changements et modifications sont possibles à la lumière des enseignements ci-dessus, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. Il faut, en conséquence, comprendre que l'invention telle que définie dans les  The invention having been thus described, it is obvious that many changes and modifications are possible in light of the above teachings, without departing from the scope of the invention. It must therefore be understood that the invention as defined in the

revendications, qui suivent, doit être protégée dans son  the following claims must be protected in its

principe.principle.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Procédé de carbonisation pour l'obtention de composites carbone/carbone d'origine phénolique caractérisé par le fait que; l'on met une quantité prédéterminée d'un matériau ou d'un sable de garnissage (2) dans une boîte de traitement thermique (1), que l'on enfonce dans ledit matériau de garnissage (2) un matériau à carboniser (4); que l'on met un métal ou alliage à bas point de fusion (3) sur ledit matériau de garnissage (2); que l'on chauffe ensuite en continu ladite boîte de traitement thermique (1) pour fondre complètement ledit métal ou alliage à bas point de fusion (3) afin de recouvrir complètement les surfaces dudit matériau de garnissage (2), un effet de différence de pression et un "effet de dispersion à sens unique" étant ainsi créés, les gaz contenus dans le système et produits au cours de la carbonisation pouvant être évacués vers l'extérieur, ce qui permet ainsi d'obtenir un état de pseudo-vide et d'empêcher une attaque par l'oxygène du (ou des) dits composite(s) carbone/carbone  A carbonization process for obtaining carbon / carbon composites of phenolic origin characterized in that; a predetermined quantity of a filling material or sand (2) is placed in a heat treatment box (1), which a material to be carbonized (4) is pressed into said lining material (2). ); a low melting point metal or alloy (3) is placed on said packing material (2); that said heat treatment box (1) is then continuously heated to completely melt said low melting point metal or alloy (3) to completely cover the surfaces of said packing material (2), a difference effect of pressure and a "one-way dispersion effect" are thus created, the gases contained in the system and produced during the carbonization can be discharged to the outside, thereby obtaining a pseudo-vacuum state and to prevent an attack by oxygen of (or said) carbon / carbon composite (s) pendant leur production.during their production. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau de garnissage (2) est du sable siliceux ou tout autre sable résistant à des  2. Method according to claim 1, characterized in that the packing material (2) is siliceous sand or any other sand resistant to températures élevées.high temperatures. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'effet de différence de pression a trait au fait que la pression dans ledit système est supérieure  3. Method according to claim 1, characterized in that the pressure difference effect relates to the fact that the pressure in said system is greater than à la pression de l'environnement.to the pressure of the environment. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'effet de dispersion à sens unique a trait au fait que le gaz se disperse vers l'extérieur  4. Method according to claim 1, characterized in that the one-way dispersion effect relates to the fact that the gas disperses to the outside dans un mode à sens unique.in a one-way mode. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le métal ou alliage à bas point de fusion (3) est un matériau ayant un point de fusion compris entre 200 et  The method of claim 1, wherein the low melting point metal or alloy (3) is a material having a melting point of between 200 and 400 C.400 C.