Способ соединения керамических и композиционных материалов

 

Использование: технология изготовления многослойных изделий из керамики и композитов в машиностроительной, авиакосмической, радиотехнической, автомобильной промышленности, других областях техники. Сущность изобретения: при соединении керамических и композионных материалов подготавливают поверхность соединяемых материалов, наносят на подготовленную поверхность клеевую композицию, содержащую поликарбосилан мол. м. не менее 700 и полиорганосилан мол. м. не менее 1500, отвердитель пероксид дикунила, бензоила, трет-бутила или лаурила и наполнитель в качестве которого используют соединение, выбранное из группы, включающий нитрид алюминия, нитрид кремния, нитрид бора, нитрид титана, карбид кремния, карбид бора, карбид титана, оксид кремния, оксид алюминия, оксид иттрия, оксид циркония, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас. поликарбоксилан 5,0 40,0; полиорганосилазан 15,0 30,0; отвердитель 0,4 5,0; порошковый наполнитель остальное, после чего отверждают композицию на воздухе при 100 450°С, в течение 0,5 2,5 ч, а затем проводят термообработку в среде азота или аргона при 700 1600°С в течение 0,2 1,0 ч. 2 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к технологии соединения материалов, в частности керамических и композиционных материалов с применением полимерной кремнийсодержащей композиции, и может быть использовано для соединения керамических изделий, для изготовления многослойных изделий из керамики и композитов в машиностроительной, авиакосмической, радиотехнической, автомобильной промышленности и других областях техники.

Известен способ соединения композиционных материалов, включающий укладку соединяемых элементов, заливку между элементами кремнийорганической смолы в присутствии платинового катализатора и ее отверждение (1).

Недостатком указанного способа является низкая прочность клеевого соединения и технологическая сложность способа на стадии подготовки клеевой композиции.

Наиболее близким по технической сущность и достигаемым результатам к заявляемому, является способ соединения керамических изделий из карбида кремния и композиционных материалов, включающий подготовку соединяемых поверхностей, нанесение на подготовленную поверхность клеевой композиции, содержащей 20-70% термореактивной кремнийорганической смолы, 5-30% углеродного порошка с размером частиц до 1 мкм, до 60% порошка SiC с размером частиц до 100 мкм и отвердитель, стадии отверждения и последующую термообработку при повышенной температуре (2).

Недостатком способа является низкая прочность получаемых клеевых соединений керамических материалов и относительно невысокая термостабильность клеевого шва (до 900^оС).

Целью изобретения является повышение прочности клеевых соединений керамических и композиционных материалов, увеличение термостабильности клеевого шва и расширение температурного интервала их применения.

Поставленная цель достигается тем, что способ соединения керамических и композиционных материалов включает подготовку соединяемых поверхностей, нанесение слоя полимерной клеевой композиции, содержащей поликарбосилан (5-40 мас.), полиорганосилазан (15-30 мас.), 0,4-5,0 мас. органического пероксида (пероксид дикумила, бензоила, трет-бутила, лаурила) в качестве отвердителя и порошковый наполнитель (остальное до 100 мас.), содержащий по крайней мере одно соединение из ряда нитридов (кремния, алюминия, бора, титана), карбидов (кремния, бора, титана), оксидов (алюминия кремния, иттрия, циркония) и/или углерод, отверждение композиции при 100-450^оС в течение 0,5-2,5 ч термообработку при 700-1600^оС в течение 0,2-1,0 ч.

В качестве поликарбосилана (ПКС) могут быть использованы соединения общих формул (Me₂SiCH₂)_n (RR'Si)m]_x (I) или [МeHSiCH₂]_y (II) ПКС-1 ПКС-2 где R,R' H, Alk, Ar, Vin где y 10-60.

n 1-20; m 0,1; x 2-50 с мол. м. не менее 700.

В качестве полиорганосилазанов (ПСЗ) могут быть использованы соединения общей формулы [[RSi(NH)_1,5]_a [R'R⁴SiNH]_b [Me₃SiNH]_c]_z (III) ПСЗ-3 где R, R', R⁴ H, Alk, Ph, Vin, Cl; a, b, c 0-3; z 3-10 с молекулярной массой не менее 900 и содержанием сухого остатка не менее 80% или соединения общей формулы [[Me₂SiCH₂]_d [MeSiCH₂CH₂]_g [Si(NH)_1,5]_n [MeR⁴'SiNH]_g]_w(IV) ПСЗ-2 где R⁴' Alk, Ph; d 1-20; g 0-5; q 0-3; w 2-20, с мол.м. не менее 1500.

В качестве соединяемых керамических и композиционных материалов могут быть использованы изделия, полученные на основе оксидных или безоксидных керамических порошков, стеклопластики, углерод углеродные и другие композиционные материалы, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью. Для соединения могут быть использованы пластины, простые и сложные конструкции любых размеров.

Подготовку поверхностей соединяемых керамических и композиционных материалов проводят путем их обработки моющими средствами, спиртами и др. стандартными методами.

Получение полимерной композиции осуществляют следующим образом.

В металлический стакан, снабженный рубашкой с охлаждением и лопастной мешалкой помещают кремнийорганическое связующее: поликарбоксилан общей формулы (I) или (II) мол.м. не менее 700 (5-40 мас.), полиорганосилазан формулы (III) (мол. м. не менее 900) или (IV) (мол.м. не менее 1500) (15-30 мас.) и 0,4-5,0 мас. органического пероксида (пероксид дикумила, бензоила, третбутила, лаурила), перемешивают в течение 20-30 мин, затем к органической части композиции в течение 1 ч при постоянном интенсивном перемешивании порциями добавляют до 100 мас. порошковый наполнитель, в качестве которого используют соединения из группы, содержащей нитриды, карбиды, оксиды (нитрид алюминия, бора, кремния, титана, карбид кремния, бора, титана, оксид алюминия, кремния, иттрия, циркония), и/или углеродный порошок. Указанные наполнители не ограничивают возможность использования ряда других известных тугоплавких соединений и порошков. Порошковый наполнитель может быть использован с размером частиц не более 100 мкм (преимущественно до 50 мкм.) Гомогенизацию клеевой композиции проводят в шаровой мельнице (4-5 ч со скоростью около 1000 об/мин). На подготовленные поверхности керамических или композиционных материалов полученную полимерную клеевую композицию наносят (в зависимости от консистенции) с помощью шпателя, кисти или распылителя равномерным слоем. Путем наложения фиксируют соединяемые поверхности друг относительно друга с помощью механических зажимов. Затем осуществляют термообработку подготовленных и закрепленных изделий при 100-450^оС на воздухе. По окончании механические зажимы снимают и проводят термообработку при 700-1600^оС в атмосфере инертного газа (азот, аргон, гелий).

П р и м е р 1. Соединение пластин нитрида кремния.

Поверхности пластин (100х10х10 мм) из нитрида кремния обрабатывают моющим средством, спиртом и сушат при 50-60^оС. На подготовленную поверхность наносят кисточкой полимерную клеевую композицию равномерным слоем 0,5-1 мм состава, мас.

Поликарбосилан ПКС-1 с мол.м. 850 25,0 Полиорганосилазан ПСЗ-1 с мол.м. 1260 25,0 Перекись дикумила 2,0 Нитрид кремния 48,0 Закрепляют пластины внахлест на 10 мм друг относительно друга зажимами и проводят их термообработку в две стадии. На первой стадии закрепленные пластины (давление около 0,5 кгс/см²) помещают в предварительно нагретую до 200^оС муфельную печь и выдерживают в течение 1 ч на воздухе. При этих условиях происходит отверждение клеевого состава, что обеспечивает композиции необходимую когезионную прочность сцепления пластин. На второй стадии температуру обработки повышают до 1300^оС и выдерживают в течение 1,0 ч в среде азота. Прочность полученного соединения на сдвиг составила 520 МПа при 20^оС.

Этот и другие примеры соединения керамических и композиционных материалов приведены в таблице с указанием состава клеевой композиции, режимов отверждения, термообработки и прочности полученного соединения на сдвиг.

Как следует из данных, представленных в таблице, изобретение позволяет получать клеевые соединения керамических и композиционных материалов, обладающие высокими механо-прочностными характеристиками со значением прочности на сдвиг 140-700 МПа. Это объясняется тем, что в пpедлагаемом способе соединения керамических и композиционных материалов совокупность состава клеевой композиции и режимов термообработки соединяемых материалов приводит к образованию с высоким выходом (не менее 90 мас.) неорганического остатка, представляющего собой сложную гетерогенную смесь нитрида и карбида кремния с порошковым наполнителем. При этом происходит диффузионное проникновение элементов клеевого состава и продуктов его термодеструкции через поверхность соединяемых материалов, что еще более усиливается за счет чисто физических процессов в случае материалов с открытой пористостью. Высокие эксплуатационные свойства клеевых конструкций остаются практически постоянными в широком интервале температуре от 20 до 1600^оС.

Способ не требует сложной спецподготовки соединяемых поверхностей, характеризуется технологичностью нанесения клеевой композиции и непродолжительным временем всего процесса, что в сочетании с доступностью применяемых компонентов позволяет использовать предлагаемый способ соединения керамических композиционных материалов практически в любых отраслях промышленности.

Формула изобретения

1. СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий подготовку поверхности соединяемых материалов, нанесение на подготовленную поверхность клеевой композиции, содержащей кремнийорганический компонент, порошковый наполнитель и отвердитель, отверждение композиции и ее термообработку, отличающийся тем, что используют клеевую композицию, содержащую в качестве кремнийорганического компонента поликарбосилан с мол.м. не менее 700 и полиорганосилазан с мол.м. не менее 1500, отверждение композиции осуществляют на воздухе при 100-450^oС в течение 0,5-2,5 ч, а термообработку проводят в среде азота или аргона при 700-1600^oС в течение 0,2-1,0 ч при следующем соотношении компонентов, мас.

Поликарбосилан с мол.м. не менее 700 5,0 40,0
Полиорганосилазан с мол.м. не менее 1500 15,0 30,0
Отвердитель 0,4 5,0
Порошковый наполнитель Остальное
2. Способ. по п. 1, отличающийся тем, что используют клеевую композицию, содержащую в качестве наполнителя соединение, выбранное из группы, включающей: нитрид алюминия, нитрид кремния, нитрид бора, нитрид титана, карбид кремния, карбид бора, карбид титана, оксид кремния, оксид алюминия, оксид иттрия, оксид циркония, углерод.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что используют клеевую композицию, содержащую в качестве отвердителя пероксид дикумила, бензоила, трет-бутила или лаурила.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3