ВЯЗКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1998 года по МПК C04B35/563 C04B35/80 

Изобретение относится к неорганическим материалам и может быть использовано в огнеупорной промышленности, металлургии, двигателестроении, энергетике, в частности, для изделий, работающих при высоких температурах и нагрузках на воздухе или в контакте с агрессивными средами, а также при ударных нагрузках.

Например, этот керамический материал можно использовать для изготовления изделий типа различного вида и назначения сопел, турбинных колес и лопаток, раструбов, жаровых труб и т.д.

Кроме того, предлагаемый керамический материал можно использовать в качестве брони, например, для применения в различных бронежилетах, а также для защиты автомобилей, специальных машин, различной бронетехники, вертолетов, самолетов и т.д.

Известен керамический материал (патент США N 4678759, кл. C 04 B 35/56, 1987), содержащий карбид бора, карбид кремния, диборид циркония и нитрид алюминия.

Недостатками этого материала являются относительно низкие трещинностойкость, прочность и усложненная технология его изготовления.

Известен также керамический материал (патент РФ N 1815258, кл. C 04 B 35/56, 1993), содержащий карбид бора, карбид кремния карбид титана и оксид иттрия. За прототип принят материал по заявке Японии N 62-153166, C 04 B 35/56,87 содержащий B₄C, SiC, TiC и TiB₂.

Недостатками этого материала являются относительно низкие прочность и трещинностойкость (вязкость разрушения).

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении трещинностойкости (вязкости разрушения), прочности и термостойкости при сохранении высокой твердости и жаростойкости.

Это достигается тем, что известный керамический материал, содержащий карбид бора, карбид титана, дополнительно содержит диборид титана и углеволокно при следующем соотношении компонентов, мас.

Карбид бора 60-78
Карбид кремния 7-22
Карбид титана 3-11
Диборид титана 3-15
Углеволокно 0,3-15
Оптимальная добавка карбида бора находится в пределах 60-78% При введении карбида бора в состав керамики меньше 60% заметно ухудшаются прочность и твердость, а при увеличении карбида бора свыше 78% ухудшаются трещинностойкость и термостойкость керамики.

Оптимальная добавка карбида кремния находится в пределах 7-22% При введении карбида кремния в состав керамики меньше 7% ухудшается термостойкость керамики, а при введении более 22% заметно снижается трещинностойкость керамического материала.

Введение в состав керамики 3-11% карбида титана улучшают ее термостойкость и жаропрочность.

Оптимальная добавка диборида титана находится в пределах 3-15% При введении диборида титана в состав керамики меньше 3% ухудшаются ее термостойкость и трещинностойкость, а при увеличении диборида титана свыше 15% ухудшается ее жаростойкость.

Введение в состав керамики 0,3-15% углеволокна улучшает ее трещинностойкость и термостойкость, при этом увеличение углеволокна в составе керамики свыше 15% приводит к заметному снижению ее твердости.

Таким образом, данный состав компонентов придает керамическому материалу новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый вязкий керамический материал получают следующим образом. После смешивания порошковых компонентов, взятых в необходимых соотношениях и требуемой гранулометрии, и получения их равномерного распределения в объеме шихты в шихту добавляют, например, нарезанные длиной 5-10 мм углеволокна в необходимом количестве, равномерно распределяют их в объеме полученной шихты, после чего проводят прессование керамических заготовок и их термообработку. При использовании вместо отдельных волокон углеткани различного типа керамические заготовки получают послойным распределением слоев углеткани в порошковой шихте с последующим прессованием и термообработкой при следующих, например, режимах: температура горячего прессования 2100-2250^oC, давление прессования 2,5-3,3 кг/мм², время выдержки после прекращения усадки 1-15 мин.

Допускается возможность использования других волокон, например, волокон карбида бора или карбида кремния.

Пример (таблица, пример 10). Берут 100 г порошка карбида бора (67,6 мас. со средним размером частиц 3-7 мкм, 20 г порошка карбида кремния (13,5 мас.) со средним размером частиц 5-7 мкм, 8 г порошка карбида титана (5,5 мас.) со средним размером частиц 5-10 мкм, 10 г порошка диборида титана (6,7 мас.) со средним размером частиц 5-7 мкм, смешивают эти компоненты до равномерного их распределения в шихте, затем добавляют 10 г углеволокон диаметром ≈10 мкм (6,7 мас.), которые также равномерно распределяют в объеме шихты, после чего формуют керамические заготовки и проводят их термообработку.

Другие примеры получения керамического материала приведены в таблице с указанием состава и свойств полученного материала.

Из полученного таким способом керамического материала были изготовлены образцы для испытаний на прочность (четырехточечный изгиб), трещинностойкость (вязкость разрушения) и термостойкость, а также твердость и жаростойкость.

При испытаниях на изгиб использовались образцы размерами 4х4х25 мм, которые устанавливались в приспособление для четырехточечного изгиба и нагружались в испытательной машине "Instron", при этом фиксировалась разрушающая нагрузка, а затем вычислялось значение прочности на изгиб.

Трещинностойкость (вязкость разрушения, K_1c) определялась на образцах размерами также 4х4х25 мм с прорезью глубиной 1 мм и шириной 0,2 мм на одной из граней в центре образца.

Термостойкость определялась на цилиндрических образцах диаметром и длиной 10 мм. Определялось число термоциклов до разрушения по режиму 1250^oC - вода.

Твердость (микротвердость) определялась на образцах, аналогичных образцам, которые использовались для определения прочности на изгиб с дополнительной полировкой поверхности.

Жаростойкость керамики определялась на аналогичных образцах. Определялось изменение массы образцов при окислении их на воздухе в печи при температуре 1200^oC в течение 10 ч.

Для всех видов испытаний на каждый состав испытывались 3-5 образцов.

Из приведенных данных (см. таблицу) видно, что по сравнению с прототипом (он же базовый объект) трещинностойкость керамики увеличивалась более чем в 2 раза, прочность в 1,6 раза, термостойкость в ≈ 1,2 раза.

Применение вязкого керамического материала, предложенного в заявке, позволит значительно расширить области использования керамики в промышленности, особенно для изделий, работающих при высоких температурах, а также при различного типа ударных нагружениях.

Использование: неорганические материалы и может быть использовано в огнеупорной промышленности, металлургии, двигателестроении, энергетике, в частности, для изделий, работающих при высоких температурах и нагрузках на воздухе или в контакте с агрессивными средами, а также при ударных нагрузках. Например, этот керамический материал можно использовать для изготовления изделий типа различного вида и назначения сопел, турбинных колес и лопаток, раструбов, жаровых труб и т.д. Кроме того, предлагаемый керамический материал можно использовать в качестве брони, например, для применения в различных бронежилетах, а также для защиты автомобилей, специальных машин, различной бронетехники, вертолетов, самолетов и т.д. Сущность: технический результат изобретения состоит в повышении трещиностойкости (вязкости разрушения), прочности и термостойкости при сохранении высокой твердости и жаростойкости. Это достигается тем, что известный керамический материал, содержащий карбид бора, карбид кремния, карбид титана и диборид титана дополнительно содержит углеволокно при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора 60-78, карбид кремния 7-22, карбид титана 3-11, диборид титана 3-15, углеволокно 0,3-15. 1 табл.

Вязкий керамический материал, содержащий карбид бора, карбид кремния, карбид титана и диборид титана, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углеволокно при следующем соотношении компонентов, мас.

Карбид бора 60 78
Карбид кремния 5 22
Карбид титана 3 11
Диборид титана 3 15
Углеволокно 0,3 15,00