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

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокерамических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных узлов и деталей перспективной авиационно-космической техники, наземных, энергетических, нефте-, газоперекачивающих, транспортных систем и новых областей общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1300°С.

Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:

Стекломатрица 45,0-80,2 Углеродное волокно 19,8-55,0

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂ 79,93 В₂O₃ 12,12 Al₂O₃ 1,93 MgO 0,17 CaO 0,43 Na₂O 3,68 К₂О 1,74

(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.%:

Al₂O₃ 2,7 В₂O₃ 12,3 Na₂O 4,2 CaO 0,3 SiO₂ 80,5

(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.%:

Стекломатрица 60-66 углеродный жгут 34-40

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂ 58,9-69,3 В₂О₃ 13,5-15 SiOC 15,7-27,6

(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 волокно 50 Стекломатрица 50

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂ 81 В₂O₃ 13 Al₂O₃ 2 Na₂O 4

(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 при температурах до 1300°С.

Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости материала при рабочих температурах до 1300°С.

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

CaO 2,9-4,1 BaO 2,8-4,3 MgO 6,5-10,1 Al₂О₃ 14,2-17,3 SiO₂ остальное

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

Стекломатрица 60,5-73,5 углеродный волокнистый наполнитель 26,5-39,5

Предлагаемый керамический композиционный материал предназначен для изготовления теплонагруженных деталей, применяющихся в авиационной, космической технике и специальном машиностроении.

Авторами установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу оксида кальция, оксида бария и оксида магния при заявленном содержании и соотношении компонентов позволит повысить жаростойкость керамического композиционного материала, работающего при температурах до 1300°С, за счет образования в стеклофазе кристаллических фаз, таких как цельзиан BaO·Al₂O₃·SiO₂, кальциевый анортит СаО·Al₂O₃·2SiO₂, кордиерит 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂, имеющих высокие температуры плавления.

Примеры осуществления

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

Пример 1

Стеклокерамический композиционный материал (табл.1, состав 1) получали по методу, совмещающему «золь-гель» технологию приготовления алюмосиликатного стекла и шликерную технологию. 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 часов. Далее заготовки выкладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре до 1400°С.

Примеры 2-4 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 на порядок улучшить жаростойкость и повысить температуру применения на 500°С.

Применение предлагаемого керамического композиционного материала для изготовления теплонагруженных узлов и деталей обеспечит увеличение ресурса и надежности этих деталей.

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

Таблица 1 Компоненты керамического композиционного материала Содержание компонентов в образцах, мас.%: 1 2 3 4 (прототип) Углеродный волокнистый материал Лента «Кулон» 26,5 35 39,5 50 Стекломатрица Компоненты матрицы 73,5 65 60,5 50 СаО 2,9 4,1 3,5 - ВаО 4,3 2,8 3,5 - MgO 10,1 9,6 6,5 - Al₂O₃ 17,3 16,5 14,2 2 SiO₂ остальное остальное остальное 81 В₂O₃ - - - 13 Na₂O - - - 4

Таблица 2 Свойства композиционного материала 1 2 3 4 (прототип) Температура, °С 1300 1300 1300 1300 Время, час 10 10 10 10 Убыль массы образцов после испытаний, мас.% 3,2 3,2 3,0 45 Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов) отсутствуют отсутствуют отсутствуют отсутствуют

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокерамических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных узлов и деталей перспективной авиационно-космической техники, наземных, энергетических, нефте-, газоперекачивающих, транспортных систем и новых областей общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1300°С. Предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу и углеродный волокнистый наполнитель, стекломатрица содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: СаО 2,9-4,1, ВаО 2,8-4,3, MgO 6,5-10,1, Al₂О₃ 14,2-17,3, SiO₂ - остальное. При этом преимущественное соотношение стекломатрицы и углеродного волокнистого наполнителя составляет, мас.%: стекломатрица 60,5-73,5, углеродный волокнистый наполнитель 26,5-39,5. Технический результат изобретения - повышение жаростойкости материала при рабочих температурах до 1300°С. Предложенный керамический композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен. 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 СаО, BaO, MgO при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
СаО 2,9-4,1 BaO 2,8-4,3 MgO 6,5-10,1 Al₂O₃ 14,2-17,3 SiO₂ остальное

2. Керамический композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет следующий состав, мас.%:
Стекломатрица 60,5-73,5 Углеродный волокнистый   наполнитель 26,5-39,5