КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2006 года по МПК C04B35/14 C04B35/80 

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями, используемым для изготовления теплонагруженных деталей, например бандажных колец, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.

Известен композиционный материал, имеющий химический состав, мас.%:

Стекломатрица (стекло "Пирекс")45,0-80,2Углеродное волокно19,8-55,0

(The mechanical properties of carbon fiber reinforced Pyrex glass.// Journal of Materials Science 7(1972).P.1454-1464).

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂79,93В₂О₃12,12Al₂О₃1,93MgO0,17CaO0,43Na₂O3,68К₂O1,74

(Химическая технология стекла и ситаллов. Под ред. Н.М.Павлушкина. М.: Стройиздат, 1983, с. 301).

Известный композиционный материал может быть использован для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.

Недостатками указанного композиционного материала и изделий из него являются комплексное ухудшение свойств и низкая жаростойкость при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Известен также композиционный материал, имеющий химический состав, мас.%:

Стекломатрица50Углеродное волокно50

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂81В₂О₃13Al₂O₃2Na₂O4

(патент США №4511663).

В качестве стекломатрицы в данном композиционном материале используется стекло "Пирекс 7740". Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных элементов двигателей морской авиации и наземных двигательных установок.

Недостатками указанного композиционного материала и изделий из него являются низкая фазовая термостабильность, вызванная кристаллизацией стекломатрицы такого типа с образованием кристобалита, как на стадии изготовления изделия, так и во время его эксплуатации, низкий уровень рабочих температур до 500°С, низкая жаростойкость при температурах выше 500°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является композиционный материал химического состава, мас.%:

Стекломатрица60-66Углеродный жгут34-40

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂58,9-69,3В₂О₃13,5-15SiOC15,7-27,6

SiOC имеет химический состав, мас.%:

О2-4,7С27,3-30Siостальное

(патент РФ №2193539).

Материал-прототип может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.

Недостатками композиционного материала - прототипа являются повышенные температуры начала уплотнения и формования, вызывающие чрезмерное увеличение адгезии на границе раздела "матрица-наполнитель", приводящее к охрупчиванию материала, и, как следствие, пониженные ударная вязкость, плотность и повышенная пористость. Данный материал не позволяет получать изделия сложных форм, например бандажные кольца, с необходимым уровнем физико-механических характеристик.

Технической задачей изобретения является снижение температуры начала уплотнения, снижение температуры формования на 100-200°С, повышение плотности, ударной вязкости и снижение пористости композиционного материала, позволяющие изготавливать изделия сложных форм с необходимым уровнем физико-механических характеристик.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, В₂O₃, SiOC, и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит раствор канифольной смолы, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица35-75Углеродный волокнистый наполнитель25-65

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂30-65В₂O₃2-10SiOC1-15Раствор канифольной смолы30-45

Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде нити, жгута, ленты, ткани.

Изделие выполнено из предложенного композиционного материала.

Авторами установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу раствора канифольной смолы при заявленном соотношении и содержании компонентов позволило снизить температуры начала уплотнения и формования материала на 100-200°С при увеличении плотности, ударной вязкости и снижении пористости композиционного материала и дало возможность изготавливать из него изделия сложных форм, например бандажные кольца, с необходимым уровнем физико-механических характеристик.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Пример 1

Для получения композиционного материала и изделия в виде бандажного кольца из него была приготовлена композиция (образец 1), соотношение компонентов в которой приведено в таблице 1. В качестве углеродного волокнистого наполнителя использовали углеродную ленту "Кулон".

Дисперсные частицы (содержание частиц размерами менее 10 мкм более 60%) стекломатрицы (SiO₂, В₂О₃) смешивали в течение 2-4 часов с частицами оксикарбида кремния (SiOC) и раствором канифольной смолы в фарфоровых барабанах алундовыми шарами в жидкой среде из расчета на 100 г сухой смеси 70-100 мл жидкости и 55-80 г раствора канифольной смолы. Полученной суспензией пропитывали непрерывную ленту "Кулон". Пропитанную ленту наматывали на специальную оснастку для получения полуфабриката кольца. Полученный полуфабрикат сушили при температуре 18-60°С до постоянной массы. Затем полуфабрикат укладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре выше 1200°С.

Примеры 2-4 осуществлялись аналогично примеру 1, а соотношения компонентов материала приведены в таблице 1.

В таблице 2 представлены свойства полученных образцов композиционного материала в сравнении с прототипом.

Таблица 1Компоненты композиционного материалаСодержание компонентов в образцах, мас.% 12345 (прототип) Лента "Кулон"25   -углеродный волокнистый
наполнительЖгут УКН П-5000 35  35Ткань "Урал Т-22"  45 - Нить "Гранит"   65-стекломатрица 7565553565SiO₂6550304569,3В₂O₃4810215,0 SiOC17151315,7Раствор
канифольной смолы 30354540-Канифольная смола40505060-РастворительСкипидар60   -Изопропиловый спирт 50  -Ацетон  50 -Скипидар   40-

Таблица 2Свойства композиционного материала12345 (прототип)Температура начала уплотнения, °С120120170150650Температура формования, °С12701250130013001450Плотность, г/см³1,981,971,951,951,78Пористость, %2,93,43,13,412,8Ударная вязкость, КДж/м²5560667035Внешний вид кольцевого изделияБез дефектов, соответствует необходимым геометрическим размерамТрещины, утолщения

Из таблицы 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет снизить температуру начала уплотнения ˜ на 500°С, температуру формования материала на 100-200°С, снизить пористость в 3,8-4,4 раза, увеличить плотность и ударную вязкость композиционного материала и изделий из него на 9-11% и 58-100% соответственно.

Предложенный композиционный материал позволяет изготавливать из него изделия сложных форм, применяющиеся в авиационной, космической технике и машиностроении.

Изобретение относится к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями, используемым для изготовления кольцевых элементов, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении. Технический результат - снижение температуры начала уплотнения, снижение температуры формования на 100-200°С, повышение плотности, ударной вязкости и снижение пористости композиционного материала, что позволяет изготавливать изделия сложных форм с необходимым уровнем физико-механических характеристик. Предложен композиционный материал следующего химического состава, мас.%: стекломатрица - 35-75, углеродный волокнистый наполнитель - 25-65. Стекломатрица содержит следующие компоненты (мас.%): SiO₂ - 30-65, В₂O₃ - 2-10, SiOC - 1-15, раствор канифольной смолы - 30-45. Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде нити, жгута, ленты, ткани. Изделие выполнено из предложенного композиционного материала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, В₂О₃, SiOC и углеродный волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит раствор канифольной смолы, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица35-75Углеродный волокнистый наполнитель25-65

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂30-65В₂O₃2-10SiOC1-15Раствор канифольной смолы30-45