| Реферат |
Изобретение относится к композициям для изготовления нити для создания соединительных деталей твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) методом послойного нанесения расплава. Высоконаполненный полимерный состав для изготовления нити 3D принтера включает полимерную основу, состоящую из термопластов и термоэластопластов, компонент, регулирующий реологические и вязкостные свойства, и алюмосиликатный герметик. При этом показатель текучести расплава композиции находится в пределах 0,2-20 г/10 мин. Технический результат изобретения заключается в увеличении содержания в составе наполнителя свыше 50 мас.% при улучшении проходимости материала через печатающее сопло и обеспечении хорошей адгезии между наплавленными нитями. 2 ил., 2 табл., 6 пр.
Настоящее изобретение относится к композициям для изготовления нити (филамета) на их основе, предназначенным для создания соединительных деталей твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) сложной геометрии из данных трехмерной модели методом послойного нанесения расплава FDM (fused deposition modeling).
Стеклянные и/или стеклокерамические (алюмосиликатные) герметики являются общепризнанными материалами для герметизации единичных элементов ТОТЭ в батарее в устройствах различной геометрии с использованием анод- и электролит-поддерживающих конструкций или несущих инертных подложек.
Сочленение деталей ТОТЭ может быть осуществлено c использованием алюмосиликатных герметиков в виде тонко измельченных порошков, представляющих собой бариево-силикатные [CN 101506117 B. Glass-ceramic seals for use in solid oxide fuel cells. Правообладатель: Corning Inc. МПК С03С10/0036. Заявка № CN2007800175004A; EP 2900613 A1. Glass composition for the use as a sealant. Правообладатель: Danmarks Tekniskie Universitet. МПК С03С3/066. Заявка № EP13770680.0A], либо боросиликатные стёкла [US 4931413 A. Glass ceramic precursor compositions containing titanium diboride. Правообладатель: Aremco Products Inc. МПК С04В35/58071. Заявка № US07/220,793], поставляемые в виде порошков либо суспензий. Однако такие герметики не гарантируют равномерного заполнения пространства между сопрягаемыми поверхностями, особенно в случае использования деталей сложной формы, что приводит к негерметичности сочленения.
Соединение деталей ТОТЭ может быть осуществлено с использованием листовых материалов, паст и клеев, содержащих, кроме непосредственно стеклянных и стеклокерамических герметиков, иные связующие компоненты. Наиболее распространёнными являются герметики компании Schott (Германия), которые могут быть поставлены в форме порошков, гранул с органическим связующим или предварительно спечённых преформ. Компания Kerafol (Германия) производит герметики в форме пластин различной толщины и геометрии, полученных с использованием полимерного связующего. В линейке компании Aremco (США) представлены высокотемпературные клея на основе стекла и керамики (серия Ceramabond), поставляемые в форме суспензий. Компания Mo-Sci Corporation (США) производит герметики в виде паст, порошков и пластин. Использование листовых материалов для герметизации ТОТЭ сложной формы связано с образованием больших количеств дорогостоящих отходов в процессе вырубки соединительных элементов требуемой конфигурации. Применение паст и клеев требует использования органических растворителей; наполнители в таких композициях имеют тенденцию к осаждению, а сами соединения обладают низкой прочностью на разрыв. Кроме того, их нанесение затруднено, если дизайн энергоустановки предполагает использование единичных ТОТЭ с малой площадью контакта между герметиком и сочленяемыми материалами, например, в случае трубчатой конструкции.
Все описанные способы соединения деталей ТОТЭ сложны, сопровождаются потерей дорогостоящего стеклогерметика, требуют использования дополнительных ингредиентов (органических растворителей), значительных временных затрат, в большей степени пригодны для массового производства и в меньшей степени - для изготовления штучных изделий, в том числе сложной геометрии.
Подходы к созданию нитей (филаментов) на основе полимера и стеклогерметика имеют преимущество перед классическими технологиями соединения деталей ТОТЭ (с помощью порошков, суспензий, паст, клеев и т.п.), так как дают возможность использовать аддитивные технологии и, таким образом, в короткие сроки могут быть изготовлены изделия сложной конфигурации, без использования растворителей и дополнительных операций для придания им заданной геометрии и размеров.
Для обеспечения требуемой газоплотности соединения после спекания необходимо, чтобы в состав нити входило достаточно большое количество стеклогерметика (наполнителя). При этом вязкость расплава материала с ростом содержания наполнителя значительно увеличивается, что может создавать трудности при выходе материала из сопла 3D принтера в процессе печати. Поэтому, существует необходимость подбора типа и содержания полимера-основы и иных компонентов для создания высоконаполненных нитей (филаментов) для использования в технологии послойного наплавления.
Из существующего уровня техники известен состав [RU 2760015 С1, Заявка №2020139148 от 30.11.2020, опубл.: 22.11.2021 в Бюл. № 33] для получения нити для 3D печати, состоящий из наполнителя (наноразмерный порошок оксида алюминия) - 45-65 мас.%, термопластичного связующего - 15-40 мас.% и полиметилсилоксановой смолы. Полученный филамент используется для создания керамических изделий сложной формы и бионическим дизайном методом 3D печати. Однако процесс смешения предлагаемого состава длителен (40-60 минут), а также применяемый наполнитель не может быть использован для соединения деталей ТОТЭ.
Из существующего уровня техники известна композиция [RU 2754261 C2, заявка № 2019118480 от 15.11.2017, опубл.: 31.08.2021 Бюл. № 25] для производства нити для 3D печати, содержащая в своем составе полимерное связующее и не менее 40 об.% способных спекаться частиц из металла, металлического сплава, стекла, керамики, а также их смеси. После получения методом 3D печати из заявленного состава заготовки, проводится удаление полимерного связующего растворением в подходящем растворителе (предпочтительно полярном растворителе, например, ацетоном, этилацетатом, дихлорметаном и т.д.), или термической обработкой и последующее спекание/сплавление частиц наполнителя. Однако при высоких степенях наполнения получаемые нити являются хрупкими, снижается качество поверхности нитей, в отдельных случаях требуется помощь при подаче нити на начальном этапе печати. Кроме того, предлагаемые к использованию в данном составе наполнители не могут быть использованы для соединения деталей ТОТЭ.
Из существующего уровня техники известен состав с еще более высоким содержанием наполнителя. Так в [US 2017/0312820 A1. Extrudable Mixture for use in 3d Printing Systems to Produce Metal, Glass and Ceramic Articles of high purity and detail. Правообладатель: Bradley D Woods. МПК B22F 1/102. Заявка № US15/144,159] предложена полимерная композиция, содержащая от 80 до 92 % по весу металлических, стеклянных или керамических порошков, из которой формуют непрерывную нить, пригодную для использования в 3D-принтерах. Однако в данном техническом решении единственным предлагаемым полимером-основой является полилактид, нити из которого становятся хрупкими при высоком содержании наполнителей (что может вызывать затруднения при ее наматывании/разматывании в катушки, хранении и печати), а также подобранное сочетание полимерной основы и наполнителя не могут обеспечить соединение деталей ТОТЭ.
|
