КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2000 года по МПК C04B35/52 C04B35/573 

Изобретение относится к композиционным материалам, а точнее к алмазосодержащим композитам, и может быть использовано в конструкциях различного назначения, где необходимо сочетание высокого модуля упругости, теплопроводности, малой плотности и других физико-химических и физико-механических свойств.

Известны материалы, обладающие уникальным сочетанием перечисленных свойств, в частности бериллий [1]. Заготовки из бериллия, полученные ковкой и штамповкой с хорошо продеформированной при обработке структурой, обладают небольшой анизотропией и достаточно высокими механическими свойствами. Сочетание высокого модуля упругости, теплопроводности и теплоемкости, малой плотности и других характеристик обусловили применение бериллия в ряде прецизионных изделий и приборов.

Высокая стоимость и токсичность бериллия сдерживают его широкое применение как конструкционного материала.

Известны бескислородные керамики, в частности карбидная [2], по свойствам не уступающая бериллию и включающая карбид кремния и кремний с содержанием карбида кремния до 95 об.%. Керамические изделия конструкционного назначения из карбидной керамики получают реакционным или активированным спеканием порошковых заготовок, а также горячим или изостатическим прессованием, обеспечивающими получение практически беспористых материалов, механическая обработка которых обеспечивает высокую точность и качество рабочих поверхностей. Однако механические и теплофизические свойства карбидокремниевой керамики оказываются относительно низкими.

В качестве наиболее близкого решения к заявляемому может быть выбран материал, полученный способом, описанным в патенте США N 4167399, C 04 B 35/56. Известный материал получают путем горячего прессования при температурах, находящихся в интервале от температуры расплавления кремния до 1600^oC, и давлении, достаточном для проникновения кремния в пустоты между зернами алмаза. При горячем прессовании менее 5 об.% алмаза превращается в другие модификации углерода. В результате пропитки и взаимодействия с кремнием образуется материал, содержащий зерна алмаза, расположенные в матрице из кремния и карбида кремния, причем количество кремния составляет 5-35 об.%, а карбида кремния - 2-30 об.%. Известное решение позволяет получить только детали простых форм и малых объемов, как правило, протяженностью и высотой около 5-10 мм в виде правильных цилиндров. Указанное ограничивает применение известного материала в качестве конструкционного.

Задачей заявляемого изобретения является создание материала широкого применения, обладающего комплексом высоких физико-механических и теплофизических свойств, более дешевого по сравнению с известными материалами как содержащего меньшее количество зерен алмаза и более технологичного.

Технический результат достигается тем, что конструкционный материал, содержащий зерна алмаза, кремний и карбид кремния, указанные компоненты содержит в следующем соотношении: зерна алмаза - 20-60 об.%, карбид кремния - 3-70 об.%, кремний - 1-40 об.%.

Заявляемый материал получают способом, включающим следующие стадии.

1. Формование пористой заготовки из алмазосодержащей шихты.

2. Термообработкa полученной заготовки для образования полуфабриката, содержащего алмаз и углерод.

3. Пропиткa полученного полуфабриката расплавленным кремнием.

При этом технология получения материала обеспечивает его получение в виде изделий заданной формы.

Формование заготовки осуществляют из смеси алмазных зерен размером не менее 1 мкм, при этом формуют заготовку с пористостью 30-60 об.% из алмазных зерен одного размера или смеси алмазных зерен разных размеров. Содержание зерен алмаза в заготовке - не менее 95 мас.%.

Формование заготовки осуществляют известными способами, такими как прессование, шликерное литье, шликерный налив с использованием известного оборудования [3], со связующим и без него.

Стадию термообработки осуществляют до уменьшения массового содержания алмазных зерен в заготовке на не более чем 50 мас.%. Это возможно реализовать двумя путями:
1) путем выдержки заготовки в среде газообразного углеводорода или углеводородов при повышенной температуре, например природного газа при t = 750-950^oC, или по крайней мере одного из газов, выбранного из группы, содержащей ацетилен, метан, этан, пропан, пентан, гексан, бензол и их производные при t = 510-1200^oC. При использовании газообразных углеводородов термообработку целесообразно проводить до уменьшения концентрации зерен алмаза в заготовке на не более чем 25 мас.%;
2) путем термообработки в инертной среде, например в вакууме или в среде инертного газа при t = 1000-1700^oC.

Независимо от того, каким из указанных методов осуществлена термообработка заготовки, конечной стадией процесса является пропитка полученного полуфабриката расплавленным кремнием. Указанную пропитку осуществляют известными методами, например путем расплавления кремния на поверхности полуфабриката или подачей уже расплавленного кремния на поверхность полуфабриката или погружением последнего в расплав кремния. На этой стадии происходит взаимодействие кремния с имеющимся в составе полуфабриката углеродом с образованием карбида кремния. Карбид кремния, а также не вступивший в химическое взаимодействие кремний образуют матрицу композиционного материала.

Содержание указанных компонентов в материале является оптимальным. Уменьшение концентрации алмаза менее 20 об.%, а также увеличение содержания в нем кремния более 40 об.% нецелесообразно, т.к. это приводит к ухудшению механических и теплофизических свойств. Повышение концентрации алмаза выше 60 об. % затрудняет получение материала: на стадии пропитки полуфабриката расплавленным кремнием возникают дефекты, существенно ухудшающие комплекс свойств.

Свойства заявляемого материала определялись по следующим методикам.

1. Плотность d определяли гидростатическим методом.

2. Модуль упрутости E определяли динамическим методом по скорости распространения звуковых волн.

3. Коэффициент теплопроводности λ определяли на λ -калориметре.

4. Удельную жесткость H рассчитывали по соотношению
H = E/(d • g),
где E - динамический модуль упругости, ГПа;
d - плотность, кг/м³;
g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

Свойства заявляемого материала (различных составов) представлены в таблице.

Из таблицы видно, что заявляемый материал обладает комплексом высоких механических и теплофизических свойств, что позволяет расширить диапазон его применения, в частности использовать его для изготовления прецизионных приборов и устройств.

Несомненным достоинством материала является его технологичность и возможность поучения из него изделий объемом более 10 мм³ заданной формы, требующих минимальной механической обработки.

Следует отметить, что полученный материал отличается высокой твердостью и износостойкостью и может быть использован в условиях интенсивного абразивного износа.

Источники информации
1. Бериллий. Наука и технология.- М.: Металлургия, 1984, с. 527-530.

2. Гнесин Г. Г. Бескислородные керамические материалы.- Киев: Техника, 1967, с. 139-142.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической промышленности. - М.: Химия, 1971.

Изобретение относится к композиционным материалам, а точнее к алмазосодержащим композитам, и может быть использовано в конструкциях различного назначения, где необходимо сочетание высокого модуля упругости, теплопроводности, малой плотности и других физико-механических свойств. Изобретение позволяет получить материал, состоящий из 20-60 об.% алмазных кристаллов, размещенных в матрице, содержащей 3-70 об.% карбида кремния и 1-40 об.% кремния, обладающего комплексом высоких физико-механических и теплофизических свойств, более дешевого по сравнению с известными материалами и более технологичного. Материал характеризуется модулем упругости Е=500-700 ГПа, коэффициентом теплопроводности λ =180-250 Вт/мК, удельной жесткостью Н=15-20•10⁶м, плотностью d=3200-3400 кг/м³. 1 табл.

Конструкционный материал, содержащий зерна алмаза в матрице, образованной карбидом кремния и кремнием, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующем соотношении, об.%:
Зерна алмаза - 20 - 60
Кремний - 1 - 40
Карбид кремния - 3 - 70р