Способ получения композиционного материала с керамической матрицей и послойной укладкой армирующего компонента в виде ткани карбида кремния Российский патент 2021 года по МПК C04B35/577 C04B35/645 

Настоящее изобретение относится к способу получения композиционного материала с матрицей из карбида кремния и послойной укладкой армирующего компонента в виде ткани карбида кремния, полученной методом силицирования углеродной ткани парами монооксида кремния, обладающего высокими механическими свойствами, стойкостью к повышенным истирающим воздействиям, ударным нагрузкам, высоким температурам и агрессивным средам.

Керамические композиционные материалы - это материалы, которые включают в себя керамическую матрицу и армирующий компонент в виде тканей, волокон, нитевидных кристаллов. Как правило, керамические композиционные материалы обладают высоким уровнем механических, физических и химических свойств. Например, керамические композиционные материалы более устойчивы к окислению при воздействии высоких температур, чем металлы. Повышенная стойкость к разрушению композитов с керамической матрицей обусловлена более сложным, в сравнении с монолитной керамикой, механизмом разрушения.

Армированные карбидкремниевые композиционные материалы используют в производстве компонентов горячего сектора газотурбинного двигателя и других элементов летательных аппаратов. Стойкость к истирающим воздействиям позволяет изготавливать из карбидкремниевых композитов подшипники скольжения и качения, автомобильные тормозные диски, а также, детали специального назначения.

Способы получения композиционных материалов, состоящих из керамической матрицы и армирующих компонентов рассмотрены в ряде патентов.

В патенте RU 2193544 С2, опубл. 27.11.2002 С04В 35/565, С04В 35/80 «Композиционный материал с керамической матрицей и с элементом усиления из SiC и способ его изготовления» предложен способ получения композиционных материалов, образующих из волокнистого материала и матрицы плотные керамические структуры. Материал содержит волокнистый элемент усиления из волокон, состоящих из карбида кремния, и межфазный слой между волокнами элемента усиления и матрицей. Волокна элемента усиления выполнены в виде длинных волокон, которые содержат менее 5 ат. % остаточного кислорода и имеют модуль более 250 ГПа. Полученный материал обладает улучшенными свойствами, так как защита от проникновения трещин до межфазового слоя между волокнами и матрицей более эффективна. Недостатком изобретения является высокая усадка и высокая пористость.

Известен патент US 5211999 А, опубл. 18.05.1993 F02F 7/0087 «Слоистый композит, состоящий из керамики, армированный керамическим волокном, и способ его получения». В изобретении описан способ получения многослойного композита, состоящего из слоя керамики SiC, и слоя керамики SiC, армированной волокнами. Описанный способ включает в себя следующую последовательность шагов реализации метода получения многослойного композита: 1) порошок β-SiC смешивают с порошком бора и углерода в процентном соотношении 98,5:0,5:1 и спекают в атмосфере аргона или вакууме при температуре 2000-2100°С. Полученную керамику используют в качестве первого слоя композита; 2) второй слой состоит из непрерывных волокон SiC и присыпки из графита. Графит и непрерывное волокно SiC нагревают до температур 500°С и 1000°С соответственно и подвергают воздействию газа трихлорметилсилана (СН₃ SiCl₃), разбавленного газообразным водородом (Н₂), чтобы пропитать непрерывное волокно SiC. Слои в композите располагаются поочередно. Согласно описанному в патенте методу спекания керамики на основе карбида кремния сложно достичь высокой плотности образца. Данные о механических свойствах полученного композита в описании патента не приведены, поэтому сложно судить о достижении поставленной авторами цели: создание материала, обладающего высокой ударной вязкостью.

Наиболее близким способом получения композита со слоистой структурой является способ, описанный в патенте CN 103449818 В, опубл. 20.01.2016 С04В 35/565, С04В 35/80, С04В 35/622 «Способ получения градиентного ламинарного композиционного материала из углеродного волокна/карбида кремния». Изобретение раскрывает способ получения градиентного ламинарного композиционного материала из углеродного волокна/карбида кремния, отличающийся тем, что включает этапы: смешение порошка карбида кремния 92% и спекающей добавки Al₂O₃: 5%, Y₂O₃: 1%, Si: 2% в количестве 8% в шаровой мельнице. Далее смесь высушивают, добавляют смягчающий агент: клей ПВА, глицерин и парафин в соотношении 30-40%, 2-4%, 1,5-3,5% от массы порошковой смеси. Смешение порошковой смеси, спекающей добавки и агента проводят в течение 16 часов. Методом прокатки формируют лист SiC, толщина которого составляет 200 мкм. Далее из листа SiC и углеродной ткани вырезают диски диаметром 60 мм. Осуществляют попеременную послойную укладку дисков SiC и углеродной ткани (различное количество слоев SiC от 1 до 7 чередуются с 1 C_f соответственно) в графитовую форму и прессуют при давлении 10 МПа. Затем, посредством термического воздействия, проводят удаление связующего. Спекание проводят при температуре 1450-1950°С в защитной атмосфере аргона с использованием давления 20-30 МПа.

К недостаткам патента можно отнести высокую температуру спекания (до 1950°С), что влечет больший износ печи; необходимость удаления связующего с помощью многостадийной вариации температур и выдержек.

Задачей настоящего изобретения является получение композиционного материала на основе карбида кремния с послойной укладкой армирующего компонента в виде ткани карбида кремния, который имеет высокий уровень механических свойств.

Технический результат заключается в повышении прочностных характеристик керамики на основе карбида кремния путем создания композита, с послойной укладкой армирующего текстильного компонента в виде ткани карбида кремния. Формирование композита осуществляется путем армирования карбидкремниевой керамики тканью карбида кремния, полученной силицированием углеродной ткани парами монооксида кремния.

Технический результат достигается тем, что способ получения композиционного материала с керамической матрицей и послойной укладкой армирующего компонента в виде ткани карбида кремния включает в себя послойную укладку порошка карбида кремния, содержащего спекающую добавку, и армирующий компонент в виде ткани из карбида кремния, полученной силицированием углеродной ткани парами монооксида кремния, предварительно смазанный резиновым клеем с двух сторон для наилучшей фиксации, формование заготовки одноосным односторонним прессованием и обжиг методом горячего прессования с удельным давлением 30 МПа, при температуре 1850°С и выдержкой 40 минут в защитной атмосфере аргона. Схема получения композита представлена на рисунке 1.

Текстильные армирующие компоненты из карбида кремния являются перспективными материалами. Их привлекательность обусловлена сочетанием физико-химических характеристик: химическая стойкость, прочность на разрыв, высокая температура плавления и модуль упругости. Введение армирующих текстильных компонентов на основе карбида кремния, повышает значение ударной вязкости и прочности на изгиб керамического композита.

Отличие от прототипа состоит в том, что слои карбидкремниевой ткани, для лучшей фиксации, смазывают клеем с двух сторон. Предварительное формование проводят с приложением давления 100 МПа, для получения более плотной заготовки. Обжиг проводят методом горячего прессования при температуре 1850°С и удельном давлении 30 МПа, с выдержкой 40 минут в защитной атмосфере аргона - условия достаточные для получения плотноспеченного керамического карбидкремниевого композита.

Настоящее изобретение относится к способу получения композиционных материалов на основе карбида кремния, армированных текстильным материалом из карбида кремния.

Способ изготовления композиционного материала с керамической матрицей с послойной укладкой армирующего компонента, включающий: послойную укладку порошка карбида кремния, содержащего спекающую добавку, и армирующий компонент в виде ткани карбида кремния, предварительно смазанный резиновым клеем с двух сторон для наилучшей фиксации, формование заготовки одноосным односторонним прессованием и обжиг методом горячего прессования, отличающийся тем, что включает в себя в качестве армирующего компонента ткань карбида кремния, полученную силицированием углеродной ткани парами монооксида кремния. Армирующий компонент укладывают в графитовую форму послойно, чередуя с порошком карбида кремния, содержащего спекающую добавку. Получение плотной керамической заготовки ведется с помощью обжига методом горячего прессования с удельным давлением 30 МПа, при температуре 1850°С и выдержкой 40 минут в защитной атмосфере аргона. Изделия получают следующим образом:

В качестве исходных компонентов использовали порошок карбида кремния марки Saint Gobain, который в своем составе содержит спекающую добавку в виде иттрий-алюминиевого граната 9 мас. %. В качестве армирующего компонента использовали ткань карбида кремния, полученную силицированием углеродной ткани парами монооксида кремния [Патент на изобретение RU 2694340 C1, 11.07.2019]. Согласно патенту RU 2694340 С1, в ходе силицирования из углеродной ткани получают ткань карбида кремния (рис. 2). Навеску порошка карбида кремния, в зависимости от количества армирующих слоев в композите, распределяют равномерно, чередуя со слоями ткани карбида кремния. Таким образом, масса навески порошка карбида кремния при создании композита не изменяется. Формирование композита осуществляют путем засыпки части (порции) порошка карбида кремния в металлическую пресс-форму, которую уплотняют, затем на порошковом слое карбида кремния в пресс-форме размещают слой карбидкремниевой ткани, предварительно смазанный с двух сторон резиновым клеем. Последующие слои порошка и ткани карбида кремния чередуются. Далее проводят предварительное одностороннее одноосное прессование заготовки в металлической пресс-форме с применением давления 100 МПа. Полученную заготовку обжигают в печи горячего прессования в графитовой пресс-форме при температуре 1850°С и давлении 30 МПа в течение 40 минут в защитной атмосфере аргона. Полученный композит представлен на рисунке 3, где 1 - слой ткани карбида кремния, 2 - слой порошка карбида кремния. Физико-механические свойства полученных композитов представлены в таблице 1.

Пример 1

Для композита с 3 слоями ткани карбида кремния

Навеска порошка карбида кремния марки Saint Gobain, содержащий в своем составе спекающую добавку в виде иттрий-алюминиевого граната 9 мас. %, составляет 8 граммов. Слоев армирующего компонента в виде ткани карбида кремния - 3. Формирование композита осуществляют путем засыпки части порошка карбида кремния в металлическую пресс-форму и его уплотнения, затем на порошковом слое карбида кремния в пресс-форме размещают слой карбидкремниевой ткани, смазанный с двух сторон резиновым клеем. Последующие слои порошка и ткани карбида кремния чередуются. Далее проводят предварительное одностороннее одноосное прессование заготовки в металлической пресс-форме с применением давления 100 МПа. Полученную заготовку обжигают в печи горячего прессования в графитовой пресс-форме при температуре 1850°С и давлении 30 МПа в течение 40 минут в защитной атмосфере аргона. Полученный керамический композит имеет прочность при изгибе при комнатной температуре 363 МПа, плотность 3,14 г/см³, ударную вязкость 2,12 МПа*м^1/2.

Пример 2

Для композита с 5 слоями ткани карбида кремния:

Навеска порошка карбида кремния марки Saint Gobain, содержащий в своем составе спекающую добавку в виде иттрий-алюминиевого граната 9 мас. %, составляет 8 граммов. Слоев армирующего компонента в виде ткани карбида кремния - 5. Формирование композита осуществляют путем засыпки части порошка карбида кремния в металлическую пресс-форму и его уплотнения, затем на порошковом слое карбида кремния в пресс-форме размещают слой карбидкремниевой ткани, смазанный с двух сторон резиновым клеем. Последующие слои порошка и ткани карбида кремния чередуются. Далее проводят предварительное одностороннее одноосное прессование заготовки в металлической пресс-форме с применением давления 100 МПа. Полученную заготовку обжигают в печи горячего прессования в графитовой пресс-форме при температуре 1850°С и давлении 30 МПа в течение 40 минут в защитной атмосфере аргона. Полученный керамический композит имеет прочность при изгибе при комнатной температуре 422 МПа, плотность 3,1 г/см³, ударную вязкость 2,9 МПа*м^1/2.

Пример 3

Для композита с 7 слоями ткани карбида кремния:

Навеска порошка карбида кремния марки Saint Gobain, содержащий в своем составе спекающую добавку в виде иттрий-алюминиевого граната 9 мас. %, составляет 8 граммов. Слоев армирующего компонента в виде ткани карбида кремния - 7. Формирование композита осуществляют путем засыпки части порошка карбида кремния в металлическую пресс-форму и его уплотнения, затем на порошковом слое карбида кремния в пресс-форме размещают слой карбидкремниевой ткани, смазанный с двух сторон резиновым клеем. Последующие слои порошка и ткани карбида кремния чередуются. Далее проводят предварительное одностороннее одноосное прессование заготовки в металлической пресс-форме с применением давления 100 МПа. Полученную заготовку обжигают в печи горячего прессования в графитовой пресс-форме при температуре 1850°С и давлении 30 МПа в течение 40 минут в защитной атмосфере аргона. Полученный керамический композит имеет прочность при изгибе при комнатной температуре 415 МПа, плотность 3,08 г/см³, ударную вязкость 4,15 МПа*м^1/2.

Изобретение относится к способу получения композиционных материалов на основе карбида кремния, армированных текстильным материалом из карбида кремния, которые могут быть использованы для работы в агрессивных средах, в условиях высоких температур и истирающих воздействий, может использоваться для создания подшипников скольжения и качения, лопаток газотурбинного двигателя и изделий специального назначения. На армирующий компонент в виде ткани из карбида кремния, полученной силицированием углеродной ткани парами монооксида кремния, наносят с двух сторон резиновый клей. В графитовую форму укладывают послойно указанную карбидокремниевую ткань и порошок карбида кремния, содержащий спекающую добавку в виде алюмоиттриевого граната. Методом горячего прессования с удельным давлением 30 МПа и при температуре 1850°С получают композиционный материал с керамической матрицей. Изобретение позволяет повысить значение ударной вязкости керамических композиционных материалов на основе карбида кремния. 1 табл., 3 пр., 3 ил.

Способ получения композиционного материала с керамической матрицей и послойной укладкой армирующего компонента в виде ткани карбида кремния, включающий послойную укладку порошка карбида кремния и армирующего компонента в виде ткани, формование заготовки одноосным односторонним прессованием и обжиг методом горячего прессования, отличающийся тем, что включает в себя послойную укладку порошка карбида кремния, содержащего спекающую добавку в виде иттрий-алюминиевого граната, и армирующего компонента в виде ткани карбида кремния, полученной силицированием углеродной ткани парами монооксида кремния, с предварительно нанесенным на поверхность ткани резиновым клеем с двух сторон для повышения фиксации, одностороннее одноосное прессование заготовки в металлической пресс-форме с применением давления 100 МПа, обжиг методом горячего прессования с удельным давлением 30 МПа при температуре 1850°С и выдержкой 40 минут в защитной атмосфере аргона.