КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2010 года по МПК C04B35/80 C04B35/577 

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С.

Известен керамический 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).

Керамический композиционный материал может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах, на воздухе при температуре 900°С.

Известен также керамический композиционный материал следующего химического состава, мас.%:

Углеродное волокно 50 Стекломатрица 50

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂ 81 В₂О₃ 13 Al₂O₃ 2 Na₂O 4

(патент США №4511663).

Известный керамический композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.

К недостаткам этих материалов следует отнести невысокую термостойкость (стойкость к циклическим нагревам) и жаростойкость при температуре 1400°С.

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

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

(патент РФ №2297992).

Недостатками керамического композиционного материала-прототипа являются недостаточная термостойкость и жаростойкость (убыль массы) при длительной эксплуатации материала при температуре 1400°С.

Следует отметить, что в условиях окислительной среды изменение (на 50-100°С) рабочей температуры керамических композиционных материалов, матрица которых содержит борсодержащие компоненты, оказывает значительное влияние на процесс окисления и количество образуемой боросиликатной стеклосвязки, что приводит к изменению эксплуатационных характеристик материала в процессе длительной эксплуатации.

Технической задачей изобретения является увеличение термостойкости и жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1400° в течение длительного времени (свыше 100 ч).

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

Si 20-30 С 25-35 SiB₄ 1,6-1,8 SiO₂ 4-5 В₄С 1-3 В₂О₃ 0,5-2 SiC остальное

Авторами установлено, что дополнительное введение в матрицу диоксида кремния, карбида бора, борного ангидрида при заявленных соотношении и содержании компонентов приводит к образованию при 1400°С в окислительной среде достаточного количества вязкой защитной боросиликатной стеклосвязки, обладающей способностью релаксировать термоупругие напряжения и препятствующей диффузии кислорода в объем материала, что повышает его термостойкость и жаростойкость.

Примеры осуществления

Для получения керамического 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 карбида бора (В₄С) 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 температуре 120-150°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1400-1450°С.

После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем в системе SiO₂-В₂О₃ с промежуточной сушкой на воздухе в течение 24 ч.

Свойства предлагаемого керамического композиционного материала и материала-прототипа приведены в таблице 2.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что термостойкость предлагаемого керамического композиционного материала в ~2,5 раза выше, чем у материала-прототипа. Привес массы материала при испытаниях на жаростойкость подтверждает образование защитной боросиликатной стеклосвязки. Жаростойкость предлагаемого керамического композиционного материала, в мас.%: 100 ч - 1,8÷2,1; 200 ч - 2,2÷2,7; 300 ч - 2,8÷2,9; 400 ч - 3,2÷3,5, в то же время у материала-прототипа наблюдается убыль массы и разрушение после 100 ч испытаний при 1400°С вследствие окисления углеродного наполнителя.

Таким образом, применение предлагаемого керамического композиционного материала с повышенной термостойкостью и жаростойкостью при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых длительное время в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С, позволяет повысить надежность и ресурс изделий.

Таблица 1 Наименование компонентов Состав по примерам, мас.% 1 2 3 4 прототип Матрица:         Si 20 25 30 30 C 35 30 25 30 SiB₄ 1,8 1,7 1,6 4 SiO₂ 5 4,5 4 - B₄C 3 2 1 - B₂O₃ 2 1,5 0,5 - SiC ост. ост. ост. ост.

Таблица 2 № п/п Свойства Предлагаемые составы Прототип 1 2 3 4 1. Термостойкость, цк, 1400°С↔20°С, охлаждение на воздухе 100 105 100 40 2. Жаростойкость, мас.%, 1400°С           100 ч 1,8 2,1 1,9 -2,5 разрушение образца   200 ч 2,2 2,6 2,7 разрушение образца   300 ч 2,9 2,8 2,9 -«-   400 ч 3,3 3,2 3,5 -«-

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С. Технический результат изобретения - увеличение термостойкости и жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1400° и сохранение указанных свойств в течение длительного времени (свыше 100 ч), что позволяет повысить надежность и ресурс изделий. Предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, которая дополнительно содержит диоксид кремния, карбид бора и борный ангидрид, при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%: Si 20-30, C 25-35, SiB₄ 1,6-1,8, SiO₂ 4-5, B₄C 1-3, B₂O₃ 0,5-2, SiC - остальное. 2 табл.

Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит диоксид кремния, карбид бора и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si 20-30 C 25-35 SiB₄ 1,6-1,8 SiO₂ 4-5 B₄C 1-3 B₂O₃ 0,5-2 SiC остальное