КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2007 года по МПК C04B35/80 C03C14/00 

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных углеродными волокнистыми 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.%:

SiO₂79,93B₂O₃12,12Al₂O₃1,93MgO0,17СаО0,43Na₂O3,68K₂O1,74

(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.

Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

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

Стекломатрица50Углеродное волокно50

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂81В₂O₃13Al₂O₃2Na₂O4

(патент США №4511663)

В качестве стекломатрицы в данном композиционном материале используется стекло "Пирекс 7740".

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

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

Стекломатрица60-66Углеродный жгут34-40

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂58,9-69,3B₂O₃13,5-15SiOC15,7-27,6

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.

Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость (высокая убыль массы) при температурах 500-800°С.

Технической задачей изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочих температурах до 800°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, B₂O₃ и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит Al₂O₃, SrO, BaO, TiO₂, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица60,5-73,5Углеродный волокнистый наполнитель26,5-39,5

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂35,0-55,5B₂O₃6,0-15,0Al₂O₃12,0-15,0SrO9,0-10,0BaO12,0-15,0TiO₂5,5-10,0

Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде ленты, нити, ткани, жгута. Изделие выполнено из предлагаемого композиционного материала.

Авторами установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу Al₂O₃, SrO, BaO, TiO₂, при заявленном соотношении и содержании компонентов, позволит повысить жаростойкость (снизить убыль массы) изделий из композиционного материала при рабочих температурах до 800°С.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Для получения композиционного материала были приготовлены четыре композиции, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1. В качестве углеродного волокнистого наполнителя использовали углеродную ленту "Кулон", нить "Гранит", ткань "Урал Т22", жгут "УКНП 5000".

Стекломатрицу получали по методу, совмещающему "золь-гель" технологию изготовления фритты боросиликатного стекла и шликерной технологии с введением поверхностно-активных добавок, регулирующих свойства стекломатрицы. Сухую смесь дисперсных частиц (размером менее 10 мкм) компонентов стекломатрицы (В₂O₃, Al₂O₃, BaO, SrO, TiO₂) смешивали с коллоидным раствором силикозоля кремниевой кислоты в фарфоровом барабане с алундовыми шарами в течение 2-4 часов. Полученную суспензию наносили на углеродный волокнистый наполнитель с одновременной прокаткой резиновым валиком и последующей выкладкой на формовочную плоскость. Полученные полуфабрикаты сушили при температуре 18-100°С до постоянной массы. Полученные заготовки укладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию.

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

Таблица 1Компоненты композиционного материалаСодержание компонентов в образцах, мас.%12345 (прототип)Углеродный волокнистый наполнительЛента "Кулон"26,5----Нить "Гранит"-30---Ткань "Урал Т22"--35--Жгут "УКНП 5000"---39,535СтекломатрицаКомпоненты матрицы73,5706560,565SiO₂55,548,542,835,069,3В₂O₃68,511,21515,0Al₂O₃1213151515,7SrO99,51010-BaO12131215-TiO₂5,57,5910-

Таблица 2Свойства композиционного материала12345 (прототип)Температура, °С800800800800800Время, час7575757526Убыль массы образцов после испытаний, мас.%2,72,92,92,832,4Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов)ОтсутствуютОтсутствуютОтсутствуютОтсутствуютПрогары

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала значительно возрастает, прототип композиционного материала теряет значительную часть армирующего наполнителя в течение 26 часов при 800°С.

Незначительная убыль массы образцов (менее 3 мас.%) подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала, предотвращающего диффузию кислорода воздуха в глубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.

Из таблицы 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 15 раз при температурах до 800°С и позволяет увеличить ресурс работы изделий из него.

Предложенный композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных углеродными волокнистыми наполнителями, используемым для изготовления теплонагруженных деталей, например бандажных колец, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении. Техническим результатом изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочих температурах до 800°С. Предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, В₂О₃ и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит Al₂О₃, SrO, BaO, TiO₂, при следующем соотношении компонентов, мас.%: стекломатрица - 60,5-73,5; углеродный волокнистый наполнитель - 26,5-39,5, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%: SiO₂ - 35,0-55,5; В₂О₃ - 6,0-15,0; Al₂О₃ - 12,0-15,0; SrO - 9,0-10,0; BaO - 12,0-15,0; TiO₂ - 5,5-10,0. Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде ленты, нити, ткани, жгута. Изделие выполнено из предлагаемого композиционного материала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, В₂О₃ и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит Al₂O₃, SrO, BaO, TiO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица60,5-73,5Углеродный волокнистый наполнитель26,5-39,5,

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂35,0-55,5В₂О₃6,0-15,0Al₂O₃12,0-15,0SrO9,0-10,0BaO12,0-15,0TiO₂5,5-10,0