КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2009 года по МПК C04B35/5835 C04B35/81 

Предлагаемое изобретение относится к конструкционным материалам, а в частности к материалам с ультрадисперсным строением, и может быть использовано как огнеупорный металлургический инструмент (тигли для плавки, ковши разливочные термопара для точного литья, чехлы для термопар определяющих температуру расплавов и т.д., т.к. он практически не взаимодействует ни с одним из известных расплавов.

Известен конструкционный материал, содержащий карбид кремния, нитрид бора, углеродное волокно (см. патент РФ №2171794).

Известный материал представляет собой твердый раствор нитрида кремния в нитриде бора с разным содержанием кремния, получаемый осаждением из газовой фазы (хлорида бора и хлорида кремния) на нагретую поверхность подложки. Получаемое покрытие имеет аморфное фазовое строение, характерное для материалов, получаемых пиролизом хлоридов, фторидов, саланов, склазанов и т.д.

Аморфное строение покрытия при нагреве в течение длительного времени кристаллизуется с изменением объема, что вызывает растрескивание поверхности и повышение скорости окисления покрытия.

Само покрытие в аморфной форме обладает очень низким сопротивлением к резким теплосменам, а именно не выдерживает термоударов как при нагреве, так и при охлаждении. Вслед за образованием микротрещин на поверхности покрытия в них проникает влага, и гидролиз многократно усиливается. Очень низкая структурная прочность покрытия и низкий модуль упругости не позволяет использовать его даже при нежелательных нагрузках при повышенных температурах.

Способ осаждения из газовой фазы для получения покрытий малопроизводителен и не позволяет получать достаточно толстые покрытия с низким значением внутренних напряжений, возникающих при осаждении слоев покрытия.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является конструкционный материал, шихта которого содержит порошок кубического нитрида бора и ультрадисперсные волокна карбида кремния в количестве 20-25 мас.% (см. US 4863881, кл. С04В 35/58, 1989 г.).

Известный материал обладает ультрадисперсным строением. Однако недостатком известного материала является то, что кубический нитрид бора переходит в его гексагональную модификацию начиная с температуры 900°С и выше, что сопровождается падением всех физико-механических свойств.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание конструкционного материала, имеющего:

- высокие физико-механические характеристики и стабильные ультрадисперсные фазы, достаточные для высокой теплопроводности;

- оптимальный изотопный состав, обеспечивающий нейтронопрозрачность и насыщенный гелием, предотвращающим взаимодействие конструкционного материала с любыми расплавами.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием конструкционного материала, шихта которого содержит карбид кремния в виде ультрадисперсного волокна и нитрид бора, в котором согласно изобретению в шихту дополнительно вводят гелий и углеродное волокно, имеющее периодически повторяющиеся внутренние объемы, заполненные гелием, причем в местах контакта ультрадисперсного волокна с углеродным волокном расположены алмазоподобные слои, а в местах его контакта с нитридом бора - эльборовые слои, при этом гелий и нитрид бора имеют изотопный состав с малым сечением захвата тепловых нейтронов, при следующим соотношением компонентов, об.%:

нитрид бора B¹¹N¹⁵30-94,6углеродное волокно С5,0- 25ультрадисперсный карбид кремния SiC0,2-15гелий Не0,2-30

Предлагаемый конструкционный материал имеет изотропность физико-механических характеристик, что позволяет рассматривать его как гомогенный материал, не имеющий слабых мест в изготовленной из него детали.

Изотопный состав гелия и нитрида бора влияет на ядерные характеристики материала, не затрагивая при этом его механические, химические и др. свойства.

Соединения, содержащие определенные изотопы элементов, из которых они состоят, обладают свойствами, характерными для изотопов, из которых состоят.

Гомогенная структура характеризуется отсутствием внутренних напряжений при знакопеременных ассиметричных тепловых, радиационных и механических нагружениях.

Наличие в материале ультрадисперсных микрообъемов открывает перспективы создания на его основе устройств:

с гипербольшой удельной поверхностью субстанций, обладающих огромным фотоэффектом преображения световой энергии в электрическую;

имеющих способность аккумулировать электрические заряды большой емкости, занимая при этом малый объем,

избегать теплового эффекта в реакциях элементов, обладающих экзотермией образования соединений, что позволяет повысить КПД получения ЭДС (холодное окисление водорода, «холодное» азотирование).

Пример получения предлагаемого конструктивного материала.

Материал получают последовательным выполнением следующих операций.

Сначала получают гомогенную смесь дискретных ультрадисперсных волокон углерода карбида кремния и ультрадисперсного порошка нитрида бора оптимального изотопного состава, смоченного пластификатором (раствор поливинилбутерана в спирте).

Оптимальный изотопный состав - это состав с низким коэффициентом поглощения тепловых нейтронов (нейтронопрозрачность) и, как следствие, с отсутствием напряжений, возникающих в материале при высоком коэффициенте поглощения материалом тепловых нейтронов (нейтронный «наклеп»).

Размеры дискретных ультрадисперсных волокон углерода находятся в интервале 1-3 мкм, а размеры нитевидных кристаллов карбида кремния SiC - 10-100 Å.

При этом нитрид бора имеет дисперсность 1-3 мкм и обладает гексагональной модификацией.

Лучшие результаты получаются при следующим содержании компонентов %:

нитрид бора В¹¹N¹⁵60углеродное волокно С15ультрадисперсный карбид кремния SiC10гелий Не15

Гидростатическое формирование заготовки детали производят в пресс-формах, нагревая до температуры 65-70°С и вакуумируют до 10^-2 мм рт.ст. при давлении 1-15 кг/см².

Затем проводят горячее прессование в газостатах отформованной заготовки пресс-формах из композита углерод-углерод при температуре 1750-2000°С в атмосфере гелия в течение 30-60 мин с давлением до 1000 МПа и последующим охлаждением под давлением.

В данном случае используют изотопный состав гелия.

В это время происходит насыщение периодически повторяющихся внутренних объемов углеродного волокна гелием, а так как гелий диффундирует из материала со скоростью 10^-7 см·сек·град, то в конструкционном материале он остается длительное время.

В результате проведенных экспериментов установлено, что предлагаемый конструкционный материал с заданными свойствами может быть получен только при указанном содержании компонентов.

В случае если содержание в материале хотя бы одного из указанных компонентов выходит за указанные пределы, то необходимые характеристики материала не будут достигнуты, т.е. технический результат в изобретении не будет получен.

Это позволяет сделать вывод о том, что указанные параметры состава конструкционного материала относятся к существенным признакам данного изобретения.

Были проведены испытания физико-механических свойств полученного конструкционного материала и был определен его фазовый состав:

нитрид бора В¹¹N¹⁵ - 15-18 об.% кубический + 82-85 об.% гексогональный,

углеродное волокно С 100% гексоганальное,

карбид кремния βSiC 100% кубический.

Причем кубический нитрид бора В¹¹N¹⁵ является ультрадисперсным, что придает всему предлагаемому материалу высокие физико-механические характеристики и высокую теплопроводность.

Были проведены испытания результаты, которых приведены в таблице 1.

 Прочность на изгиб (МПа)Ударная вязкость при 20°С (кгм/см²)Термостойкость 1600°С→20°С→1600°С (теплосмена)Потеря веса в расплаве урана (г/м²х 60 мин)Коррозионная стойкость при 1600°С г/м²х 100 час20°С1600°СПредлагаемый конструкционный материал300-40070-750,58300,070,15Прототип50-705-60,05371735

Как видно из таблицы, по всем физико-химическим свойствам предлагаемый конструкционный материал превосходит прототип по двум причинам:

В заявляемом конструкционном материале используют наноразмерную арматуру кубического карбида кремния, на поверхности которой нарастает, как на подложке, тонкий слой кубического нитрида кремния.

Также было обнаружено, что детали, например тигель, изготовленные из предлагаемого материала, не вступают в контакт с другими материалами, например расплавом урана. Это происходит из-за того, что насыщение материала гелием по межплоскостным границам повышает коррозионную стойкость и инертность к расплавам агрессивных сред.

Предлагаемое изобретение направлено на создание конструкционного огнеупорного материала с ультрадисперсным строением, используемого в металлургии. Технический результат изобретения - получение материала с высокими физико-механическими характеристиками, высокой теплопроводностью и оптимальным изотопным составом, обеспечивающим нейтропрозрачность. Конструкционный материал согласно изобретению получают из шихты, включающей карбид кремния в виде ультрадисперсного волокна, ультрадисперсный нитрид бора и углеродное волокно, имеющее периодически повторяющиеся внутренние объемы, заполненные гелием, при следующем соотношении компонентов, об.%: нитрид бора B¹¹N¹⁵ 30-94,6, углеродное волокно 5-25, ультрадисперсный карбид кремния 0,2-15, гелий 0,2-30. В местах контакта ультрадисперсного волокна с углеродным волокном расположены алмазоподобные слои, а в местах его контакта с нитридом бора - эльборовые слои. Гелий и нитрид бора имеют изотопный состав с малым сечением захвата тепловых нейтронов. 1 табл.

Конструкционный материал, шихта которого содержит карбид кремния в виде ультрадисперсного волокна и ультрадисперсный порошок нитрида бора, отличающийся тем, что в шихту дополнительно вводят гелий и углеродное волокно, имеющее периодически повторяющиеся внутренние объемы, заполненные гелием, причем в местах контакта ультрадисперсного волокна с углеродным волокном расположены алмазоподобные слои, а в местах его контакта с нитридом бора - эльборовые слои, при этом гелий и нитрид бора имеют изотопный состав с малым сечением захвата тепловых нейтронов, при следующем соотношении компонентов, об.%:

нитрид бора В¹¹N¹⁵30-94,6углеродное волокно С5,0-25ультрадисперсный карбид кремния SiC0,2-15гелий Не0,2-30