Композиционный материал

 

Изобретение предназначено для производства изделий , работающих в окислительных средах при высоких температурах. Задача изобретения: создать композиционный материал, содержащий чередующиеся слои карбидкремниевой матрицы, содержащей волокно карбида кремния SiC - SiC с по крайней мере одним внутренним слоем, содержащим частично карбидизованное углеродное волокно и кокс связующего в матрице карбида кремния. При этом поверхностный слой обеспечивает надежную защиту от окисления при высоких температурах, а внутренний - повышенную стойкость к деформации и термоциклам всего материала. Материал создается известным способом, включающим получение углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и силицирование. Различие состава в поверхностных и внутренних слоях материала достигается при использовании при изготовлении углепластиковой заготовки препрега из ткани на дешевом углеродном волокне, соответственно не содержащего или содержащего барьерное к жидкому кремнию покрытие, например, из пироуглерода. Возможно также и чередование в материале по толщине этих разносоставных слоев, а также чередование их в каждом слое материала. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к высокотемпературному материаловедению и предназначено для производства из материала изделий, работающих в высокоскоростных окислительных газовых потоках при высоких температурах.

Известна разработка композиционного материала "Ceraseр" с наполнителем из волокон карбида кремния, связанных матрицей из карбида кремния, т.е. материала класса "SiС-SiС". Материал не теряет уровня физико-механических свойств после 20-ти часовой выдержки на воздухе при 1200^оС. Однако главным недостатком материала является его дороговизна. Кроме того, этот материал имеет очень высокий модуль упругости (230 ГПа), что ухудшает способность к деформации конструкционных изделий из него, подвергающихся циклическому термическому воздействию.

Технология получения этого материала дорога, сложна и экологически опасна, так как для получения матрицы используется метод осаждения карбида кремния из ядовитых летучих соединений кремния и взрывоопасного водорода.

Задача изобретения создание материала, по крайней мере не уступающего по требуемым свойствам материалу прототипа, но более дешевого при простой и экологически чистой технологии его получения.

Эта задача решается получением материала с разным составом карбида кремния в поверхностном и внутреннем слоях.

Поверхностный слой, обеспечивающий высокую окислительную стойкость (а, следовательно, сохранение физико-механических свойств при эксплуатации на воздухе) представляет материал, аналогичный по составу материалу прототипа, и состоит из 100% карбида кремния. При этом основной внутренний слой материала выполнен из композита "С-SiС", т.е. материала, состоящего из углеродного волокна (или ткани на углеродном волокне), связанного карбидной матрицей.

При этом используется дешевое углеродное волокно, полученное, например, из вискозы. При желании иметь повышенную прочность материала необходимо применять высокопрочные углеродные волокна (типа ВМН-4).

Содержание ингредиентов во внутреннем слое "С-SiС" материала составляет: карбид кремния 25-45 мас. (остальное углерод). При содержании карбида кремния более 45 мас. материал хрупок, а при менее 25 мас. он механически (по коэффициенту термического расширения) плохо совместим с материалом поверхностного слоя. Сравнительно низкий (50 ГПа) модуль упругости материала этого слоя улучшает способность к деформации всего материала при термоциклировании. Из общей толщины материала толщина поверхностного защитного слоя составляет 1/6 до 1/4 толщины основного слоя. При толщине меньше 1/6 поверхностный слой недостаточно герметичен и не обладает хорошими защитными от окисления свойствами. При толщине более 1/4 возрастает хрупкость всего материала.

Способ получения материала заключается в следующем.

Сначала получают углепластиковую заготовку известным способом (изготовление препрега, его послойная укладка и формование). Затем проводят карбонизацию и силицирование заготовки. При дешевом и простом способе силицирования происходит химическое связывание углеродных волокон и кокса связующего карбидом кремния в результате их взаимодействия с жидким кремнием.

Разница в составе поверхностного и основного слоев после силицирования достигается за счет меньшей реакционной способности к кремнию углерода внутреннего слоя из-за наличия на нем барьерного к кремнию покрытия, например, из пироуглерода. Барьерное покрытие может быть нанесено либо только на углеродное волокно ткани перед изготовлением из него препрега, либо (получив карбонизованную углепластиковую заготовку для основного слоя) нанесено на все углеродные компоненты (углеродное волокно и кокс связующего) барьерное покрытие из пироуглерода известными способами. Затем напрессовывают препрег на полученную таким путем заготовку и формируют таким образом будущий поверхностный слой, проведя дополнительную операцию его карбонизации. В этом случае препрег не должен иметь барьерное покрытие на углеродном волокне. Затем силицируют уже всю заготовку, получают в материале за один цикл слои (поверхностный и основной) различного состава и назначения.

Углеродное волокно и кокс без барьерного покрытия полностью перерабатывается в карбид кремния при силицировании, например 1950-2000^оС в вакууме.

В таблице представлены сравнительные данные по относительной деформации ( ε) и критерию термопрочности (способности выдерживать термические циклы) в виде величины ε˙λ / α (критерий Кинджери), где λ и α соответственно коэффициенты теплопроводности и термического расширения для предлагаемого материала и материала прототипа.

Как видно, при одинаковой с прототипом окислительной стойкости предлагаемый материал обладает в 3 раза большей деформативной способностью и в 10 раз большей термопрочностью.

Материал может иметь не только описанную выше трехслойную конструкцию: основной внутренний слой из С-SiС материала с обеих сторон, покрытый слоем из карбида кремния. В ряде случаев целесообразно иметь конструкцию с чередованием этих разносоставных слоев по всей требуемой толщине заготовки. В случае необходимости чередование слоев может осуществляться не только по толщине, но и в плоскости каждого слоя. В любом варианте конструкций будущей защитный поверхностный слой формируется из 2-3-х слоев препрега из ткани на УВ без барьерного покрытия.

Формование внутреннего слоя заготовки в этом случае производят, проводя поочередную выкладку из препрега на УВ с барьерным покрытием и из препрега на УВ без такового.

Формула изобретения

1. КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, включающий матрицу карбида кремния и карбидкремниевое волокно (SiC-SiC), отличающийся тем, что он выполнен слоистым, причем слои состава SiC-SiC чередуются по крайней мере с одним внутренним слоем, содержащим матрицу карбида кремния, частично карбидизованное углеродное волокно и кокс связующего.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что толщина поверхностных слоев состава SiC-SiC составляет 1/6-1/4 толщины внутреннего слоя, содержащего частично карбидизованное углеродное волокно.

РИСУНКИ

Рисунок 1