КЕРАМОМАТРИЧНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С УПРОЧНЕННЫМ АРМИРУЮЩИМ КОМПОНЕНТОМ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК C04B35/573 C04B35/80 B82B3/00 

Изобретение относится к области машиностроительной керамики, в частности к керамоматричному композиционному материалу (далее материалу) с матрицей на основе карбида кремния и армирующим компонентом из упрочненных пучков углеродных филаментов, обладающему повышенными прочностными характеристиками, и способу его получения. Предлагаемый материал может быть использован для изготовления трибологических и конструкционных деталей, в том числе больших размеров и сложной формы, работающих в условиях высоких механических статических и динамических нагрузок.

При создании керамоматричных композиционных материалов, армированных углеродными волокнами, важным фактором, влияющим на свойства конечного материала, является состояние отдельных углеродных волокон (филаментов), которые собраны в пучки как в исходных продуктах (нитях, жгутах, лентах, тканях из углеродного волокна), так и в промежуточных заготовках и готовом материале. Для реализации высоких механических характеристик материала филаменты внутри пучков должны быть равномерно распределены и отделены друг от друга, а также защищены от воздействия технологических и эксплуатационных факторов. Наилучшая защитная структура формируется из двух элементов: межфиламентной фазы внутри пучка и защитного слоя вокруг него. Кроме того, свойства межфиламентной фазы (ее состав, пористость, прочность и однородность) определяют прочность армирующего компонента, а следовательно, механические характеристики материала в целом. В большинстве известных способов не уделяется особого внимания созданию такой межфиламентной фазы, что может обуславливать ее повышенную пористость, наличие микротрещин и неоднородность состава внутри пучка.

Синтез эффективной защитной структуры, включающей межфиламентную фазу и защитный слой вокруг пучков углеродных филаментов, приобретает особое значение при изготовлении керамоматричных композиционных материалов методом реакционного спекания, который в настоящее время приобрел широкое применение, так как не требует сложного оборудования и является относительно простым, дешевым и производительным процессом, пригодным для массового производства изделий любой формы и размеров, обладающих низкой пористостью [Krenkel W. Carbon Fiber Reinforced CMC for High-Performance Structures // International Journal of Applied Ceramic Technology. - 2004. - V.1, №2. - P.188-200]. Данная технология требует применения особых мер, для того чтобы максимально избежать потери прочности армирующего углеродного компонента, в первую очередь, вследствие воздействия расплава кремния на стадии пропитки заготовки этим расплавом (силицирования) и для того чтобы обеспечить максимально возможный уровень прочности полученного материала. В большинстве способов предусмотрено обеспечение защитного слоя на пучке углеродных филаментов. Тем не менее, в случае наличия дефектов в защитном слое и отсутствия межфиламентной фазы, филаменты оказываются незащищенными от воздействия расплава кремния и других неблагоприятных факторов.

Известны способы, в которых предусмотрены определенные операции для создания межфиламентной фазы. Например, в техническом решении RU 2337083 (МПК C04B 35/83, C04B 35/532, C04B 35/577, опубл. 27.10.2008) на первом этапе пропитки слабо концентрированным раствором связующего происходит предварительное формирование межфиламентной фазы, а на втором этапе пропитки концентрированным раствором связующего формируется полимерное покрытие на пучках углеродных филаментов. После стадий карбонизации и силицирования межфиламентная фаза представляет собой пористый углерод, а покрытие на пучках филаментов - карбид кремния. Недостатком способа является относительно слабая защита филаментов от проникновения расплава кремния внутрь пучка, вследствие того что межфиламентная фаза неуплотнена и содержит микротрещины и поры, которые образуются при усадке в процессе карбонизации. Недостатком материала является сниженная прочность пучков углеродных филаментов.

Межфиламентная фаза может быть уплотнена и упрочнена дополнительно вводимыми компонентами, такими, например, как углеродные нанотрубки. Известно, что введение углеродных нанотрубок (УНТ), обладающих значительно более высокой прочностью, модулем упругости и теплопроводностью, чем углеродные волокна, способствует дополнительному повышению прочности керамоматричных композиционных материалов и улучшению их эксплуатационных характеристик [P.G.Karandicar et al. Carbon nanotube (CNT) and carbon fiber reinforced high toughness reaction bonded composite // Ceramic Engineering and Science Proceedings. - 2007. - V.28, №6. - P.53-63]. Однако введение УНТ в материал сопровождается рядом трудностей, связанных, во-первых, со сложностью их диспергирования и, следовательно, сложностью обеспечения их однородного распределения в материале, во-вторых, с проблемами их защиты от воздействия технологических факторов, в связи с тем, что диаметры нанотрубок (в среднем, менее 80 нм) могут быть на порядок величины меньше требуемой эффективной толщины защитного покрытия.

Указанные выше проблемы наиболее сильно проявляются в способах, обеспечивающих дисперсионное упрочнение углеродными нанотрубками матрицы материала. Известны технические решения US 2006062985 (МПК C04B 35/83, C04B 35/573, опубл. 23.03.2006) и WO 2006080936 (МПК C04B 35/83, C04B 35/563, опубл. 03.08.2006), касающиеся композиционного материала с матрицей из карбида кремния, упрочненной УНТ и, дополнительно, короткими углеродными волокнами, а также способа получения материала с использованием технологии реакционного спекания. Нанотрубки предварительно диспергируются размалыванием и перемешиванием в растворе полимерного связующего с одновременным нанесением на их поверхность полимерного покрытия, которое трансформируется в углерод на стадии карбонизации и затем в карбид кремния - на начальном этапе силицирования. Полученный SiC-слой предназначен для защиты УНТ от химического воздействия расплава кремния на стадии силицирования. Для преодоления действия упомянутого выше размерного фактора, связанного с влиянием соотношения «диаметр нанотрубок/толщина покрытия» на эффективность защитного действия этого покрытия, в указанных изобретениях используют достаточно крупные нанотрубки, с диаметром до 500 нм. Данное обстоятельство является одним из недостатков способа, так как приводит к снижению эффекта упрочнения в готовом материале, по сравнению с потенциально возможным эффектом при использовании более тонких нанотрубок. Другим существенным недостатком способа является низкий уровень защиты УНТ, что следует из того, что расплав кремния реагирует, по крайней мере, с частью нанотрубок с образованием карбида кремния.

Недостатком материала по изобретениям US 2006062985 и WO 2006080936 является недостаточное упрочнение, так как карбид кремния, образующийся из прореагировавших с кремнием УНТ, не обеспечивает свойства межфазной границы, необходимые для повышения трещиностойкости и нехрупкого характера разрушения. Недостатком материала является также большая вероятность неоднородного распределения нанотрубок в матрице, что ослабляет эффект повышения трещиностойкости. Это следует из формулировки: «если углеродные нанотрубки хорошо диспергированы внутри всей заготовки, улучшение механических свойств, например трещиностойкости, становится заметным». Согласно описанию указанных изобретений эффектом от введения нанотрубок в материал является существенное повышение его электропроводности и незначительное дисперсное упрочнение матрицы.

Известно изобретение RU 2324597 (МПК B29C 70/24, D04H 13/00, B82B 3/00, B82B 1/00, опубл. 20.05.2008), в котором углеродные нанотрубки вводятся в материал путем их предварительного выращивания из газовой фазы на поверхности углеродных филаментов армирующего компонента. Согласно описанию изобретения во время пропитки пористой заготовки полимером нанотрубки, не закрепленные на филаментах, «стряхиваются» с их поверхности и распределяются в объеме матрицы. Таким образом, в готовом материале УНТ не упрочняют армирующий компонент, а дополнительно уплотняют матрицу, что и входит в задачи указанного изобретения.

Недостатком способа является отсутствие мер по закреплению нанотрубок на филаментах и упрочнению пучков. Другим недостатком способа является отсутствие специальных операций по защите филаментов и нанотрубок от воздействия технологических факторов, что снижает эффект упрочнения на единицу массы вводимых упрочняющих компонентов. Кроме того, способ ограничен использованием пучков углеродных филаментов с удельной поверхностью не менее 10 м²/г, что требует проведения дополнительных операций по модификации их поверхности. Еще одним недостатком способа является то, что ведение нанотрубок осуществляется методом химического газофазного осаждения, который ведет к усложнению и удорожанию процесса. Недостатком материала по указанному патенту является сниженный эффект упрочнения.

Наиболее близкими к заявляемым техническим решениям являются керамоматричный композиционный материал и способ его изготовления по заявке US 2007128960 (МПК C04B 35/628F8D18; C04B 35/628K; C04B 41/52; C08J 5/00N; C08J 5/04M, опубл. 07.06.2007). Материал по указанному изобретению состоит из матрицы, в том числе на основе карбида кремния, и армирующего компонента, содержащего полотна из переплетенных пучков углеродных филаментов, покрытых слоем карбида кремния. Армирующий компонент содержит также углеродные нанотрубки, соединенные с упомянутым слоем карбида кремния с наружной стороны пучков и направленные предпочтительно перпендикулярно к плоскости полотен. В указанном изобретении используется способ, при котором, согласно описанию, сначала наносится слой из кремнийорганического полимера на поверхность полотен ткани, т.е. на пучки углеродных филаментов, далее проводится отверждение полимера с получением углеродполимерной заготовки, за которым следует синтез SiC-слоя на пучках в процессе пиролиза при температуре 1000°C, после чего осуществляется выращивание углеродных нанотрубок на полученном SiC-слое в высокотемпературном трубчатом реакторе методом химического газофазного осаждения из паров ферроцена и ксилола. Далее следуют стадии формования, соединения армирующего компонента с компонентами матрицы, отверждения полимера и синтеза SiC-матрицы путем высокотемпературного пиролиза.

Одним из недостатков способа по заявке US 2007128960 является то, что в нем не предусмотрено создание межфиламентной фазы внутри пучков углеродных филаментов, перед тем как на них формируется SiC-слой, что обуславливает недостаточно высокую прочность пучков в готовом материале. Кроме того, в указанном способе осуществлено введение нанотрубок не внутрь пучков, а снаружи, и при этом не обеспечена специальная защита УНТ от воздействия технологических и эксплуатационных факторов. Недостатком способа является также использование в технологическом цикле стадии химического газофазного осаждения, которая значительно усложняет процесс, делая его менее пригодным для массового производства изделий. Еще одним недостатком способа является формирование матрицы с использованием технологии пропитки кремнийорганическими полимерами, которая осложнена высокой стоимостью самих полимеров и необходимостью проведения повторяющихся циклов пропитки для обеспечения достаточного уплотнения матрицы, что делает этот способ малопригодным для массового изготовления изделий.

Недостатком материала по заявке US 2007128960 является то, что пучки филаментов не имеют дополнительного упрочнения в виде нанотрубок и/или однородной межфиламентной фазы и, следовательно, содержат пустоты и характеризуются пониженными механическими характеристиками. Недостатком материала является также то, что слой карбида кремния на поверхности пучков, согласно способу его получения, характеризуется высокой пористостью, которая не может обеспечить оптимальные свойства межфазной границы «пучок/матрица» с высокими защитными функциями

Кроме того, нанотрубки большей частью своей поверхности находятся внутри матрицы и не обеспечены каким-либо защитным слоем, предохраняющим их от воздействия технологических и эксплуатационных факторов. Указанные обстоятельства неизбежно приводят к снижению эффекта упрочнения материала.

Задача настоящего изобретения заключается в создании керамоматричного композиционного материала, содержащего матрицу на основе карбида кремния и армирующий компонент из упрочненных пучков углеродных филаментов, которые имеют высокую защиту от технологических и эксплуатационных факторов, характеризующегося низкой пористостью и высокими показателями прочности при изгибе и ударной вязкости, а также способа получения этого материала, пригодного для массового экономичного производства изделий.

Задача изобретения решается путем создания керамоматричного композиционного материала с упрочненным армирующим компонентом в виде пучков углеродных филаментов, покрытых слоем карбида кремния, и матрицы на основе карбида кремния, в котором углеродные филаменты внутри пучков связаны между собой углеродной межфиламентной фазой, упрочненной углеродными нанотрубками. Слой карбида кремния содержит наноразмерные зерна, а матрица дополнительно содержит свободный кремний. Содержание матрицы в материале от 10 до 60 об.%, а упрочненного армирующего компонента от 40 до 90 об.%, при этом объемное соотношение карбида кремния и свободного кремния в матрице составляет от 8:2 до 9:1. Упрочненный армирующий компонент содержит от 49 до 62 об.% углеродных филаментов, от 16 до 30 об.% углерода межфиламентной фазы, от 2 до 10 об.% углеродных нанотрубок, остальное - карбид кремния.

В предлагаемом материале технический эффект достигается путем создания двух защитных элементов: плотной углеродной межфиламентной фазы, связывающей между собой филаменты и дополнительно содержащей углеродные нанотрубки, а также SiC-слоя на пучках филаментов, имеющего высокую плотность, благодаря наноразмерной структуре. Указанные защитные элементы обеспечивают эффективную защиту от неблагоприятных факторов не только углеродных филаментов, но и углеродных нанотрубок, находящихся внутри пучков. Кроме того, межфиламентная фаза обеспечивает упрочнение пучков углеродных филаментов в готовом материале за счет того, что в ее состав введены и однородно распределены углеродные нанотрубки, армирующие пучки в поперечном направлении. Дополнительным преимуществом углеродной межфиламентной фазы в материале является создание необходимого уровня адгезии на межфазных границах «филамент - межфиламентная фаза» и «УНТ-межфиламентная фаза», что обеспечивает высокие прочностные характеристики и нехрупкий характер разрушения материала.

Все указанные аспекты способствуют повышению на 30-60% показателей прочности при изгибе и ударной вязкости, по сравнению с показателями для материала, полученного в аналогичных условиях без введения нанотрубок.

При содержании матрицы менее 10 об.% снижется твердость, прочность и износостойкость материала, а при содержании более 60 об.% снижается ударная вязкость. Содержание армирующего компонента обратно пропорционально содержанию матрицы, поэтому его изменение за пределы указанных диапазонов сопровождается соответствующими обратными эффектами.

Соотношение карбида кремния к кремнию в матрице материала должно быть не ниже 8:2 для обеспечения достаточного уровня прочности, твердости и износостойкости материала. С другой стороны, соотношение 9:1 определяет минимальный уровень кремния, который связан с оптимальной пористостью заготовки перед проведением силицирования и исключением остаточной пористости в готовом материале.

Углеродные филаменты являются основной частью армирующего компонента. Их минимальное количество 49 об.% обеспечивает требуемый уровень ударной вязкости материала и нехрупкий характер разрушения, что особенно важно для условий эксплуатации, сопровождающихся действием динамических нагрузок. Содержание углеродных филаментов более 62 об.% означает недостаточное содержание других фаз, выполняющих защитные и упрочняющие функции.

Содержание свободного углерода межфиламентной фазы менее 16 об.% может сопровождаться наличием пор и пустот внутри пучков, а содержание 30 об.% соответствует условиям предельного заполнения межфиламентного пространства.

При содержании УНТ в армирующем компоненте в количестве менее 2 об.% отсутствует заметный эффект упрочнения, а максимальное значение 10 об.% связано с максимальным значением концентрации УНТ в суспензии, выше которого не обеспечивается однородное введение нанотрубок в пучки.

В предпочтительном варианте изобретения углеродные нанотрубки в материале имеют наружный диаметр от 8 до 80 нм и длину до 2,0 мкм. В указанном диапазоне диаметров обеспечивается максимальный уровень прочности исходных нанотрубок, а также наибольшая однородность их распределения в межфиламентной фазе. При длине нанотрубок более 2,0 мкм, с одной стороны, затруднено их введение внутрь пучков при пропитке суспензией, а с другой стороны, преимущественное направление их расположения приближается к направлению филаментов, что снижает эффект поперечного армирования пучков.

Предложен способ получения керамоматричного композиционного материала с упрочненным армирующим компонентом, включающий нанесение полимерного слоя на пучки углеродных филаментов, синтез слоя карбида кремния на пучках, введение углеродных нанотрубок в состав армирующего компонента, соединение армирующего компонента с компонентами матрицы, изготовление углеродполимерной заготовки и синтез керамической матрицы, в котором стадию нанесения полимерного слоя на пучки осуществляют путем их обработки суспензией, содержащей 10-30 мас.% полимерного связующего и 3-15 мас.% терморасширенного графита. Перед указанной стадией проводят стадию предварительного формирования межфиламентной фазы, которая включает введение нанотрубок внутрь пучков углеродных филаментов, за счет обработки пучков под воздействием ультразвуковых колебаний суспензией, содержащей 2-8 мас.% углеродных нанотрубок, 5-20 мас.% полимерного связующего в органическом растворителе. При этом синтез матрицы и слоя карбида кремния на пучках, содержащего наноразмерные зерна, осуществляют на стадиях карбонизации и силицирования.

Предлагаемый способ позволяет получить описанный выше материал путем использования технологии, включающей обработку пучков углеродных филаментов суспензиями разного состава на разных стадиях технологического цикла. На первой стадии производится обработка пучков слабоконцентрированной суспензией в условиях ультразвукового воздействия, при этом обеспечивается равномерное введение полимерного связующего и углеродных нанотрубок в пространство между филаментами, а также закрепление нанотрубок внутри пучков. Из полимерного связующего, введенного внутрь пучков, образуется углеродная межфиламентная фаза на последующих стадиях синтеза матрицы. При содержании УНТ в суспензии менее 2 мас.% не обеспечивается их минимальное содержание в составе армирующего компонента, необходимое для достижения заметного упрочняющего эффекта. При содержании нанотрубок и/или полимерного связующего более 8 мас.% и 20 мас.%, соответственно, вязкость суспензии становится слишком высокой для обеспечения однородной пропитки пучков. При содержаниях полимерного связующего в суспензии ниже 5 мас.% образуется пористая межфиламентная фаза и не достигается заметный упрочняющий эффект. В состав суспензии входят также поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые обеспечивают диспергирование УНТ, устойчивость суспензии к расслоению и смачиваемость суспензией поверхности филаментов.

На следующей стадии на поверхность пропитанных пучков наносится слой из полимерного связующего и частиц терморасширенного графита, который при силицировании преобразуется в SiC-слой. Частицы терморасширенного графита активизируют формирование плотного нанозернистого слоя карбида кремния (с зернами размером ≤100 нм) вокруг пучков на начальном этапе силицирования, что обеспечивает эффективную защиту армирующего компонента. При содержании полимерного связующего в суспензии на данной стадии ниже 10 мас.% формируется пористый слой SiC-слой с низкой защитной функцией. При содержании полимерного связующего и терморасширенного графита более 30 мас.% и 15 мас.%, соответственно, вязкость суспензии становится слишком высокой для нанесения однородного слоя, а толщина последнего - слишком большой, результатом чего является присутствие непрореагировавшего углерода в защитном слое на пучках в готовом материале, ухудшающее механические характеристики. При содержании терморасширенного графита в суспензии менее 3 мас.% не обеспечивается достаточное количество активного углерода для образования наноразмерных зерен карбида кремния на начальном этапе силицирования, в результате чего формируется SiC-слой с низкой плотностью и слабыми защитными функциями.

Далее следует стадия соединения армирующего компонента с компонентами матрицы, которая может проводиться путем обработки пучков углеродных филаментов концентрированным раствором суспензии, содержащей полимерное связующее и частицы карбида кремния. Все три стадии, включающие промежуточные операции сушки, осуществляются в едином цикле за счет непрерывного протягивания нитей, жгутов, лент или тканей из пучков углеродных филаментов через емкости с суспензиями соответствующих составов. Формование может осуществляться различными известными методами, включая прессование, намотку и плетение. Однако при использовании формования путем намотки или плетения все четыре указанные выше стадии осуществляются в едином непрерывном цикле, что делает весь процесс компактным и производительным. Реализация такого непрерывного подготовительного цикла с получением сформованной заготовки в сочетании с последующими стадиями, осуществляемыми по технологии реакционного спекания, обеспечивает низкую себестоимость процесса изготовления материала и пригодность его для массового производства, что является особым преимуществом предлагаемого способа.

Предлагаемое изобретение является новым, имеет изобретательский уровень и применимо в промышленных масштабах.

Пример 1+.

Углеродную нить марки Н-205 пропитывают путем протягивания через концентратор ультразвуковых колебаний, расположенный в емкости с пропиточной суспензией в органическом растворителе. Состав пропиточной суспензии приведен в таблице 1. Выходящую из пропиточной емкости нить протягивают через камеру сушки. Для нанесения на пучки полимерного слоя, содержащего измельченный терморасширенный графит, пропитанную нить обрабатывают суспензией в органическом растворителе, например этиловом спирте. Состав суспензии приведен в таблице 1. Выходящую из емкости нить протягивают далее через камеру сушки. Обработанную углеродную нить устанавливают на намоточный станок и проводят намотку заготовки после прохождения нити через емкость с суспензией следующего состава:

коксообразующее полимерное связующее ЛБС-1 - 40 мас.%;

порошок SiC со средним размером частиц 10 мкм - 60 мас.%.

Отформованные заготовки подвергают вулканизации на воздухе при температуре в диапазоне 180-200°С. Вулканизированые заготовки устанавливают в кассеты, засыпают измельченным кусковым кремнием и подвергают термообработке в условиях вакуума. При этом стадия карбонизации осуществляется во время медленного подъема температуры до 1420°С в течение 8-16 часов. Силицирование происходит при температуре в диапазоне 1450-1500°С с выдержкой 30-60 мин. Свойства и состав полученного материала приведены в таблицах 2 и 3.

На рис.1 и 2 представлены фрагменты микроструктуры полученного материала.

На рис.1 представлена микроструктура плоского шлифа, которая демонстрирует упрочненный армирующий компонент с межфиламентной фазой и защитным слоем на пучке, переходящим в матрицу.

На рис.2 приведена фрактограмма поверхности разрушения, которая демонстрирует структуру защитного слоя, содержащего наноразмерные зерна карбида кремния (стрелка А) на границе раздела с матрицей Si-SiC (стрелка В).

Пример 2+

Способ по примеру 1, в котором углеродную нить пропитывают суспензией в органическом растворителе, имеющей состав, указанный в таблице 1. Свойства и состав полученного материала приведены в таблицах 2 и 3.

Пример 3+

Способ по примеру 2, в котором для нанесения слоя на пропитанную углеродную нить используют суспензию в органическом растворителе, имеющую состав, указанный в таблице 1. Свойства и состав полученного материала приведены в таблицах 2 и 3.

Пример 4-

Способ по примеру 1, в котором углеродную нить пропитывают суспензией в органическом растворителе, имеющей состав, указанный в таблице 1. Свойства и состав полученного материала приведены в таблицах 2 и 3.

Пример 5-

Способ по примеру 2, в котором для нанесения слоя на пропитанную нить используют суспензию в органическом растворителе, имеющую состав, указанный в таблице 1. Свойства и состав полученного материала приведены в таблицах 2 и 3.

Пример 6-

Для подтверждения полученного эффекта были изготовлены образцы способом по примеру 1, в котором для пропитки углеродного волокна Н-205 использовали полимерное коксообразующее связующее ЛБС-1 без углеродных нанотрубок. Свойства и состав полученного материала приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 1 Составы суспензий № примера Состав суспензии для пропитки пучков, г Состав суспензии для нанесения слоя на пучки, г Этиловый спирт ЛБС-1* УНТ** ПАВ*** Этиловый спирт ЛБС-1 ТРГ**** 1 850 60 60 30 670 300 30 2 770 200 20 10 670 300 30 3 770 200 20 10 750 100 150 4 740 300 5 3 670 300 30 5 770 200 20 10 500 300 200 6 850 60 - 30 670 300 30 Примечания: *ЛБС-1 - тип полимерного связующего; ** УНТ - углеродные нанотрубки; ***ПАВ - поверхностно-активное вещество: **** ТРГ-терморасширенный графит

Таблица 2 Свойства керамоматричного композиционного матер № примера Кажущаяся плотность, г/см³ Пористость, % Предел прочности при изгибе, МПа Ударная вязкость, кДж/м² 1+ 2,1 0,3 280 13 2+ 2,1 0,3 250 11 3+ 2,2 0,1 235 10 4- 2,0 0,5 200 8 5- 1,8 3,0 150 5 6- 1,9 1,0 180 8

Таблица 3 Составы керамоматричного композиционного материала № примера Состав матрицы материала, об.% Содержание армирующего компонента в материале, об.% Состав армирующего компонента, об.% Si SiC Углеродные филаменты УНТ Углерод (межфи-ламент-ной фазы) Слой SiC на пучке 1 9,4 37,6 53,0 62 8 20 10 2 2,0 8,0 90,0 62 2 26 10 3 6,0 54,0 40,0 52 2 21 25 4 7,0 48,0 45,0 62 0,5 27 10 5 2,0 18,0 80,0 44 1,0 15 40 6 9,4 37,6 53,0 62 - 28 10

Изобретение относится к области машиностроительной керамики и может быть использовано для изготовления конструкционных деталей, работающих в условиях высоких механических нагрузок. Керамоматричный композиционный материал с упрочненным армирующим компонентом в виде пучков углеродных филаментов, покрытых слоем карбида кремния, и матрицы на основе карбида кремния содержит углеродные филаменты внутри пучков, связанные между собой углеродной межфиламентной фазой, упрочненной углеродными нанотрубками. Слой карбида кремния содержит наноразмерные зерна, а матрица дополнительно содержит свободный кремний. При получении керамоматричного композиционного материала пучки углеродных филаментов обрабатывают под воздействием ультразвуковых колебаний суспензией, содержащей 2-8 мас.% углеродных нанотрубок и 5-20 мас.% полимерного связующего в органическом растворителе, после чего наносят полимерный слой на пучки путем их обработки суспензией, содержащей, 10-30 мас.% полимерного связующего и 3-15 мас.% терморасширенного графита. Синтез матрицы и слоя карбида кремния, содержащего наноразмерные зерна, на пучках осуществляют путем карбонизации и силицирования. Полученный материал обладает низкой пористостью, высокой прочностью при изгибе и ударной вязкостью, способ его изготовления пригоден для массового экономичного производства изделий. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 6 пр., 2 ил.

1. Керамоматричный композиционный материал с упрочненным армирующим компонентом в виде пучков углеродных филаментов, покрытых слоем карбида кремния, и матрицы на основе карбида кремния, отличающийся тем, что углеродные филаменты внутри пучков связаны между собой углеродной межфиламентной фазой, упрочненной углеродными нанотрубками, слой карбида кремния на пучках углеродных филаментов содержит наноразмерные зерна, а матрица дополнительно содержит свободный кремний, при этом материал имеет следующий состав:
матрица от 10 до 60 об.%,
упрочненный армирующий компонент 40-90 об.%,
при том что объемное соотношение карбида кремния и свободного
кремния в матрице составляет от 8:2 до 9:1,
а упрочненный армирующий компонент содержит:
от 49 до 62 об.% углеродных филаментов,
от 2 до 10 об.% углеродных нанотрубок,
от 16 до 30 об.% углерода межфиламентной фазы,
остальное карбид кремния.

2. Материал по п.1, в котором углеродные нанотрубки имеют наружный диаметр от 8 до 80 нм и длину до 2,0 мкм.

3. Способ получения керамоматричного композиционного материала с упрочненным армирующим компонентом, включающий нанесение полимерного слоя на пучки углеродных филаментов, синтез слоя карбида кремния на пучках углеродных филаментов, введение углеродных нанотрубок в состав армирующего компонента, соединение армирующего компонента с компонентами матрицы, изготовление углерод-полимерной заготовки и синтез керамической матрицы, отличающийся тем, что стадию нанесения полимерного слоя на пучки осуществляют путем их обработки суспензией, содержащей 10-30 мас.% полимерного связующего и 3-15 мас.% терморасширенного графита, а перед указанной стадией проводят стадию предварительного формирования межфиламентной фазы с введением нанотрубок внутрь пучков углеродных филаментов за счет обработки пучков под воздействием ультразвуковых колебаний суспензией, содержащей 2-8 мас.% углеродных нанотрубок и 5-20 мас.% полимерного связующего в органическом растворителе; при этом синтез матрицы и слоя карбида кремния на пучках, содержащего наноразмерные зерна, осуществляют на стадиях карбонизации и силицирования.