КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2009 года по МПК C04B35/80 C04B35/577 

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей авиационно-космической техники, в наземных энергетических, нефтегазоперекачивающих, транспортных системах и новых областях общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1550°С.

Известен композиционный материал, который состоит из армирующего неорганического волокна и матрицы, включающей 40-95 мас.% фазы SiC и 5-60 мас.% оксидной фазы. Оксидная фаза может представлять собой ZrSiO₄ или стеклокерамическую фазу составов ВаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂ или SrO-Al₂О₃-SiO₂. При этом средний элементный состав фазы SiC составляет, мас.%: 30-80 Si, 15-69 С, 0,005-20 О или 30-80 Si, 10-65 С, 0,005-25 О (патент США №6331496).

Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры 1550°С в течение длительного времени.

Известен композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, состоящую из карбида кремния, бора и пироуглерода, распределенного в ее объеме и на поверхности материала при следующем соотношении компонентов в матрице, мас.%:

SiC 10-50 В 0,5-1,2 С (пироуглерод) остальное

(патент РФ №2203218).

Композиционный материал может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах и на воздухе при температуре 900°С в течение 1 часа.

Недостатком материала и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1500°С.

Известен композиционный материал, армированный волокнами SiC с керамической матрицей, содержащей SiC в виде кристаллов в количестве до 70 мас.% и гранулы SiC из синтетического композиционного нанопорошка (заявка Франции №2849022).

Недостатком известного композиционного материала и изделий из него является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры выше 1200°С за счет образования защитной аморфной пленки SiO₂ и пузырьков газообразных продуктов окисления, приводящих с течением времени к потере массы.

Для улучшения свойств композиционных материалов SiC_вол/SiC получены интерфазные защитные покрытия на основе борсодержащих соединений нитрида бора BN или В₄С на непрерывных волокнах SiC, которые служат не только для отклонения матричных трещин, но и для повышения окислительной стойкости, препятствуя деградации волокон.

Регулируемым осаждением слоев SiC, B_xC, Si-B-C и Si-B-N получены многослойные композиционные материалы. Слоистые материалы на основе композиционных материалов SiC-SiC с защитными интерфазными борсодержащими покрытиями В₄С, BN, полученными в тройной системе Si-B-C, Si-B-N, обладают способностью самозалечивания матрицы. Устойчивость к окислению композиционного материала типа SiC_вол/BN/SiC с интерфазным покрытием BN при умеренных температурах улучшается по сравнению с композиционным материалом типа SiC_вол/С/SiC, не содержащим соединений бора. Однако эти композиционные материалы не сохраняют устойчивость к окислению при температурах выше 1500°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

Si 20-35 С 25-40 SiB₄ 2-6 SiC остальное

и изделие, выполненное из него (патент РФ №2297992).

Недостатком композиционного материала-прототипа и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при рабочей температуре 1550°С.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала и изделий, выполненных из него, при рабочей температуре 1550°С в течение длительного времени.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при этом матрица дополнительно содержит диоксид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

Si 20-35 С 25-40 SiB₄ 0,1-1,5 SiO₂ 1-5 SiC остальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами установлено, что введение в матрицу диоксида кремния при заявленных соотношениях и содержаниях компонентов приводит к образованию тугоплавкого высококремнеземного стекла при воздействии кислорода воздуха, обеспечивающего герметизацию возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., и, тем самым, повышает жаростойкость композиционного материала и изделий из него при воздействии рабочей температуры 1550°С в течение длительного времени.

Примеры осуществления

Для получения композиционного материала были приготовлены композиции предлагаемого материала (1-3) и материала-прототипа (4), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.

Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB₄) и углеродными волокнами в полиэтиленовых барабанах. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.

Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температурах 120-150°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1500°С.

После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем диоксида кремния SiO₂ с промежуточными сушками на воздухе.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала и изделий, выполненных из него, выше по сравнению с материалом-прототипом, который теряет при обработке часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1550°С в течение 100 часов (см. табл.2).

Привес массы образцов (1,8-4,3 мас.%), связанный с образованием высококремнеземной стеклосвязки при нагревах на воздухе при температуре 1550°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала в течение длительного времени (до 500 часов), предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.

Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала в тяжелонагруженных узлах и деталях авиационно-космической техники, наземных энергетических и нефтегазоперекачивающих систем позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1550°С в течение длительного времени и, соответственно, повысить надежность и ресурс изделий.

Таблица 1 Наименование компонентов Состав по примерам, мас.% 1 2 3 4 прототип Матрица:
Si
С
SiB₄
SiO₂
SiC 27
25
1,5
5
ост. 35
32
0,8
3
ост. 20
40
0,1
1
ост. 28
32
4
-
ост.

Таблица 2 Параметры испытаний образцов на жаростойкость Изменение массы образцов после испытаний на жаростойкость, мас.% Температура, °С Время, ч 1 2 3 4 прототип 1550 100 1,8 3,1 2,4 - 5,8 разрушение образца 200 2,7 3,6 2,8 разрушение образца 300 3,1 3,9 3,3 -«- 400 3,3 4,1 3,6 -«- 500 3,4 4,3 3,8 -«-

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей авиационно-космической техники, в наземных энергетических, нефтегазоперекачивающих, транспортных системах и новых областях общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1550°С. Предложенный композиционный материал содержит углеродные волокна и матрицу, включающую следующие компоненты, мас.%: Si 20-35, С 25-40, SiB₄ 0,1-1,5, SiO₂ 1-5, SiC остальное. Технический результат изобретения - увеличение жаростойкости изделий, позволяющее использовать их при рабочей температуре 1550°С в течение длительного времени 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит диоксид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si 20-35 С 25-40 SiB₄ 0,1-1,5 SiO₂ 1-5 SiC остальное

2. Изделие из композиционного материала, отличающееся тем, что оно выполнено из материала по п.1.