КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2009 года по МПК C04B35/80 C03C14/00 

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокристаллических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой таких как стойки, проставки переходных устройств, элементы резьбового крепежа и т.д. на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной, космической технике и в машиностроении.

Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:

Стекломатрица45,0-80,2Углеродное волокно19,8-55,0

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂79,93В₂О₃12,12Al₂O₃1,93MgO0,17CaO0,43Na₂O3,68K₂O1,74

(The mechanical properties of carbon

fiber reinforced Pyrex glass. //

Journal of Materials Science

7 (1972) P.1454

Недостатком указанного керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при воздействии температур выше 450°С в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Известен композиционный материал, включающий стекломатрицу, армированную углеродными волокнами, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

Al₂О₃2,7В₂О₃12,3Na₂O4,2CaO0,3SiO₂80,5

(патент США №5391213)

Недостатками известного композиционного материала являются низкая жаростойкость и повышенный коэффициент термического расширения при рабочих температурах 500-550°С.

Известные композиционные материалы могут быть использованы только для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.

Известен также композиционный материал следующего состава, мас.%:

Стекломатрица60-66углеродный жгут34-40

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂58,9-69,3В₂О₃13,5-15SiOC15,7-27,6

(патент РФ №2193539)

Недостатком указанного композиционного материала является недостаточно высокая жаростойкость при температурах выше 800°С.

Композиционный материал может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.

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

Углеродное волокно50Стекломатрица50

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂81В₂O₃13Al₂О₃2Na₂O4

(патент США №4511663)

Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.

Недостатками керамического композиционного материала-прототипа являются низкая жаростойкость и термостойкость при температурах до 800°С, повышенное значение коэффициента термического расширения.

Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости и термостойкости материала при рабочих температурах до 800°С при снижении коэффициента термического расширения.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, Al₂О₃ и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит SrO, BaO, TiO₂ и Al₂TiO₅, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

Al₂O₃21,0-21,9SrO4,7-19,4BaO1,0-14,0TiO₂11,7-12,2Al₂TiO₅1,8-6,5SiO₂остальное

При этом преимущественное соотношение стекломатрицы и углеродного волокнистого наполнителя составляет, мас.%

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

Предлагаемый керамический композиционный материал предназначен для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой и элементов резьбового крепежа, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.

Установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу оксида стронция, оксида бария, диоксида титана и титаната алюминия, при заявленном содержании и соотношении компонентов, позволит повысить жаростойкость и термостойкость, а также снизить температурный коэффициент линейного расширения керамического композиционного материала, работающего при температурах до 800°С.

Примеры осуществления

Для получения керамического композиционного материала были приготовлены 5 композиций, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.

Пример 1

Керамический композиционный материал (табл.1, состав 1) получали по методу, совмещающему «золь-гель» технологию приготовления алюмосиликатного стекла и шликерную технологию. Тонкодисперсный порошок титаната алюминия вводили на стадии приготовления золя. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродную ленту «Кулон».

Суспензию наносили на ленту «Кулон» с одновременной прокаткой резиновым валиком и последующей выкладкой на формовочную плоскость. Полученные полуфабрикаты сушили при температуре (18-100)°С в течение 48-4 ч. Далее заготовки выкладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре до 1400°С.

Примеры 2-5 получения керамических композиционных материалов осуществляли аналогично примеру 1.

В таблице 2 представлены свойства полученных образцов предлагаемого керамического композиционного материала в сравнении с материалом-прототипом.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что предложенный керамический композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 10-15 раз, термостойкость в 3-5 раза, значительно снизить термический коэффициент линейного расширения при рабочих температурах до 800°С.

Применение предлагаемого керамического композиционного материала для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой и элементов резьбового крепежа на основе ленточных и жгутовых препрегов обеспечит увеличение ресурса и надежности этих деталей.

Предложенный керамический композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.

Таблица 1Компоненты керамического композиционного материалаСодержание компонентов в образцах, мас.%12345 (прототип)Углеродный волокнистый материалЛента «Кулон»26,5---50СтекломатрицаКомпоненты матрицы73,5706560,550Al₂О₃21,921,621,421,02SrO19,414,49,54,7-ВаО14,89,514,0-TiO₂12,212,011,911,7-Al₂TiO₅1,83,94,86,5-SiO₂остальноеостальноеостальноеостальное81В₂О₃----13Na₂O----4

Таблица 2Свойства композиционного материала12345 (прототип)Температура, °С800800800800800Время, ч7575757526Убыль массы образцов после испытаний, мас.%2,72,92,92,835ТКЛР (×10⁶1/град)-3,8-4,1-4,4-4,60,8-1,5Термостойкость (режим 20↔800°С)Более 1000 цикловБолее 1000 цикловБолее 1000 цикловБолее 1000 циклов300 цикловВнешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов)отсутствуютотсутствуютотсутствуютотсутствуютотсутствуют

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокристаллических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой, таких как стойки, проставки переходных устройств, элементы резьбового крепежа и т.д. на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной, космической технике и в машиностроении. Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости и термостойкости материала при рабочих температурах до 800°С при снижении коэффициента термического расширения. Предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу и углеродный волокнистый наполнитель при следующем соотношении компонентов в мас.%: стекломатрица - 60,5-73,5, углеродный волокнистый наполнитель - 26,5-39,5, причем стекломатрица содержит следующие компоненты в мас.%: Al₂O₃ - 21,0-21,9; SrO - 4,7-19,4; BaO - 1,0-14,0; TiO₂ - 11,7-12,2, Al₂TiO₅ - 1,8-6,5, SiO₂ - остальное. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, Al₂O₃ и углеродный волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит SrO, BaO, TiO₂ и Al₂TiO₅ при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

Al₂O₃21,0-21,9SrO4,7-19,4BaO1,0-14,0TiO₂11,7-12,2Al₂TiO₅1,8-6,5SiO₂остальное

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