Проницаемый ячеистый материал

 

Изобретение относится к керамике, в частности к получению материалов на основе карбида кремния, и может быть использовано для изготовления легковесных конструкционных материалов и фильтрующих элементов, применяемых в области высоких температур, а также в агрессивных средах. Проницаемый ячеистый материал на основе карбида кремния состоит из керамического каркаса с упрочняющими включениями, который характеризуется открытой пористостью, составляющей 80 - 97%. Керамический каркас состоит из карбида кремния и в качестве упрочняющих включений содержит кремний, который заполняет микропоры каркаса, при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид кремния 55 - 68; кремний 32 - 45. Предлагаемый материал обладает более высокой прочностью. 4 ил.

Изобретение относится к керамике, в частности к получению материалов на основе карбида кремния, и может быть использовано для изготовления легковесных конструкционных материалов и фильтрующих элементов, применяемых в области высоких температур, а также в агрессивных средах.

Известны проницаемые ячеистые материалы на основе оксидных керамик, используемые в качестве фильтров, высокотем- пературной изоляции и т.д. Указанные материалы характеризуются открытой организованной пористостью, легковесностью, высокой проницаемостью для газов и жидкостей, высокой химической стойкостью.

Недостатком известных материалов является низкая прочность, что ограничивает область их применения и не позволяет использовать в качестве конструкционных материалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является проницаемый ячеистый материал на основе композиции карбида кремния и легкоплавкого цементирующего компонента, характеризуемый открытой пористостью, составляющей 80-97% [1], причем проницаемый ячеистый материал представляет собой керамический каркас из кордиерита или муллита, в котором карбид кремния присутствует в виде отдельных включений, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Кордиерит или муллит 3-99 Карбид кремния 1-97 Основным недостатком известного материала является его низкая прочность.

Предлагаемый материал обладает более высокой прочностью.

Проницаемый ячеистый материал на основе карбида кремния, состоящий из керамического каркаса с упрочняющими включениями и характеризуемый открытой пористостью, составляющей 80-97%, отличается тем, что состоит из карбидокремниевого каркаса, а в качестве упрочняющих включений содержит кремний, заполняющий микропоры каркаса, при следующем соотношении компонентов, мас.% : Карбид кремния 55-68 Кремний 32-45 Наличие карбидокремниевого компонента, образующего жесткий непрерывный каркас, способствует значительному упрочнению материала. Карбидокремниевый каркас помимо открытой пористости обладает закрытой микропористостью, образованной в процессе синтеза карбида кремния.

Заполнение микропор каркаса кремнием приводит к дополнительному упрочнению материала. Хорошая смачиваемость карбида кремния как жидким, так и газообразным кремнием, а также развитая поверхность проницаемого ячеистого материала обеспечивает полное заполнение кремнием всех микропор, присутствующих в карбидокремниевом каркасе.

Оптимальным соотношением компонентов для получения проницаемого ячеистого материала является 55-68 мас.% карбида кремния и 32-45 мас.% кремния. Увеличение содержания кремния более 45 мас.% и соответственно снижение содержания карбида кремния менее 55 мас.% приводит к снижению прочности материала, что связано с нарушением непрерывности карбидокремниевого каркаса кремнием.

Известный проницаемый ячеистый материал представляет собой керамический каркас из кордиерита или муллита, упрочненный включениями карбида кремния. Однако, поскольку основное влияние на прочность материала оказывает прочность непрерывного каркаса, а не отдельных включений, значительного упрочнения материала за счет присутствия карбидокремниевого компонента не происходит.

Кроме того, процесс изготовления известного материала допускает возникновение микропористости в керамическом каркасе. Образование микропористости связано с использованием в качестве исходного состава керамического шликера.

Вследствие этого микропоры могут образовываться при спекании керамических порошков, а также за счет присутствия воздуха в жидкой составляющей шликера. Образование дополнительной микропорис- тости, присутствующей в керамическом каркасе, ухудшает прочностные характеристики известного материала.

Основой предлагаемого проницаемого ячеистого материала является карбидокремниевый каркас. Следовательно, в данном случае карбидокремниевый компонент, являясь основным непрерывным каркасом, способствует значительному упрочнению материала.

Количество микропористости, присутствующее в карбидокремниевом каркасе, выше, чем в керамическом каркасе известного материала, поскольку помимо перечисленных видов микропористости известного материала карбидокремниевый каркас содержит дополнительную микропористость, образованную в процессе синтеза карбида кремния. Однако, если в известном материале вводимые включения не снижают микропористость керамического каркаса, кремний вводится специально для заполнения микропор, присутствующих в карбидокремниевом каркасе, что также способствует значительному упрочнению материала.

Таким образом, предлагаемый материал обладает высокой прочностью, поскольку в его основе лежит жесткий карбидокремниевый каркас и в указанном каркасе отсутствует микропористость.

Процесс изготовления проницаемого ячеистого карбидокремниевого каркаса аналогичен традиционным схемам изготовления известных проницаемых ячеистых материалов и состоит в следующем. На пенополиуретан наносят суспензию, содержащую дисперсный порошок карбида кремния или вещества, образующего карбид кремния в процессе термообработки, например, кремний, углерод и т.п. Вместо углерода предпочтительно использовать термореактивные смолы, которые одновременно являются источником углерода для дальнейшего синтеза карбида кремния и, кроме того, связующим компонентом суспензии.

Оптимальный состав суспензии для синтеза карбидокремниевого каркаса содержит, мас.%: Кремний 70 Углерод 30 При замене углерода термореактивной смолой необходимо методом термогравиметрического анализа определить выход углеродного остатка используемой смолы и, исходя из полученных данных, рассчитать состав суспензии в соответствии с приведенным соотношением исходных компонентов суспензии.

Например, при использовании в качестве термореактивной смолы фенолформальдегидной смолы марки Бакелит ПЖ-1 с выходом углеродного остатка 60% состава суспензии будет следующий, мас.ч.: Кремний 70 Бакелит ПЖ-1 50 Открытая пористость описанных материалов зависит от количества суспензии, наносимой на пенополиуретан. Снижение пористости ниже 80% связано с нанесением на пенополиуретан избыточного количества суспензии, что приводит к залепливанию ячеек и нарушению организованной структуры материала. При увеличении пористости выше 97% нанесенной суспензии недостаточно для полного покрытия пенополиуретана, что приводит к охрупчиванию материала и даже его разрушению.

Для изготовления карбидокремниевого каркаса суспензию указанного состава наносили на пенополиуретан и проводили многостадийную обработку.

1 стадия - полимеризация, проводимая при температуре 150^оС для затвердевания термореактивной смолы.

2 стадия - карбонизация, проводимая в инертной атмосфере в интервале температур 150-1000^оС для термодеструкции пенополиуретана и термореактивной смолы до образования углеродного остатка.

3 стадия - спекание, проводимое при температуре 1600^оС в течение 1 ч над ванной, содержащей расплавленный кремний. При этом происходит взаимодействие кремния с углеродом, образование карбидокремниевого каркаса и одновременное заполнение кремнием микропор, присутствующих в каркасе.

Содержание кремния в предлагаемом материале определяется двумя факторами: микропористостью карбидокремниевого каркаса и режимом термообработки в парах кремния. При соблюдении описанного технологического процесса, использовании суспензии указанного состава и указанного режима термообработки содержание кремния, присутствующего в карбидокремниевом каркасе составляет 32-45 мас.%.

Для конкретизации вышеизложенного были изготовлены образцы проницаемого ячеистого материала с различным соотношением карбида кремния и кремния. Составы материалов и их характеристики приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, материалы заявляемого состава (примеры 5-8) обладают высокой прочностью. При выходе соотношения компонентов за заявляемые пределы наблюдается снижение прочности материала.

На фиг. 1 показана структура проницаемого ячеистого материала (х 50); на фиг. 2 - микроструктура карбидокремниевого каркаса (х 100); на фиг. 3 и 4 - микроструктура карбидокремниевого каркаса, упрочненного кремнием (соответственно х 200, х 800).

В микроструктуре карбидокремниевого каркаса (фиг. 2) наблюдаются отдельные сероватые зерна карбида кремния и многочисленные микропоры, расположенные между зернами карбида кремня. Микроструктура предлагаемого материала (фиг. 3) более плотная за счет кремния, заполнившего микропоры карбидокремниевого каркаса. Строение и расположение зерен карбида кремния на фиг. 3 то же, что и на фиг. 2, но участки между сероватыми зернами карбида кремния заполнены кремнием, имеющим более светлую окраску. Микропористость в указанном материале отсутствует. При более сильном увеличении микроструктуры предлагаемого материала (фиг. 4) серые участки карбида кремния и светлые участки кремния становятся хорошо различимы, что позволяет на основании приведенной микроструктуры сделать вывод о полном проникновении осажденного кремния в карбидокремниевый каркас, качественном сцеплении кремния с карбидом кремния в предлагаемом материале и отсутствии микропористости на границах фазовых областей.

Критерии оценки прочности предлагаемого материала по сравнению с аналогом и прототипом представлены в табл. 2.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что проницаемый ячеистый материал, представляющий собой карбидокремниевый каркас, микропоры которого заполнены кремнием, при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид кремния 55-68; кремний 32-45, характеризуется более высокой прочностью по сравнению с известными материалами аналогичной структуры, что обуславливает возможность применения предлагаемого материала в качестве легковесного конструкционного материала, фильтрующего элемента, носителя катализатора и т.д.

Формула изобретения

ПРОНИЦАЕМЫЙ ЯЧЕИСТЫЙ МАТЕРИАЛ с открытой пористостью 80 - 97%, состоящий из керамического микропористого каркаса из карбида кремния, отличающийся тем, что микропоры каркаса заполнены кремнием и каркас характеризуется следующим соотношением компонентов, мас.%: Карбид кремния - 55 - 68 Кремний - 32 - 45

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5