Композиционный материал

Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями. Технический результат изобретения - увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочих температурах выше 800°С. Композиционный материал включает, мас.%: стекломатрицу 60,5-73,5 и высокомодульный углеродный волокнистый материал 26,5-39,5. Стекломатрица содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: SiO₂ 58,9-87,4, В₂О₃ 2,7-15, SiOC 4,5-11,5, TiSi₂ 4,5-11,5, SiB₄ 0,9-3,7. 2 табл.

 

Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями, используемым, например, в качестве кольцевых деталей компрессора высокого давления.

Известен композиционный материал, имеющий химический состав, мас.%:

Стекломатрица

стекло “Пирекс” 45,0-80,2

Углеродное волокно 19,8-55,0

(The mechanical properties of carbon fiber reinforced Pyrex glass.// Journal of Materials Science 7(1972)P.1454-1464.)

стекломатрица стекло “Пирекс” имеет следующий химический состав, мас.%:

SiO₂ 79,93

В₂О₃ 12,12

Аl₂О₃ 1,93

MgO 0,17

CaO 0,43

Na₂O 3,68

K₂O 1,74

(Химическая технология стекла и ситаллов/ под ред. Н.М.Павлушкина/ М.: Стройиздат. 1983. с.301.)

Недостатком указанного композиционного материала является комплексное ухудшение свойств и низкая жаростойкость при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Известен композиционный материал, имеющий химический состав, маc.%:

Стекломатрица 50

Углеродное волокно 50

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂ 81

В₂О₃ 13

Аl₂О₃ 2

Na₂O 4

(патент США №4511663)

В качестве стекломатрицы в данном композиционном материале используется стекло “Пирекс 7740”.

Недостатками указанного композиционного материала являются низкая фазовая термостабильность, вызванная кристаллизацией стекломатрицы такого типа, с образованием кристобалита как на стадии изготовления детали, так и во время ее эксплуатации, низкий уровень рабочих температур до 500°С, низкая жаростойкость при температурах выше 500°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является композиционный материал химического состава, мас.%:

Стекломатрица 60-66

Углеродный жгут 34-40

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас. %:

SiO₂ 58,9-69,3

В₂O₃ 13,5-15

SiOC 15,7-27,6

SiOC имеет химический химического состав, мас. %:

О 2-4,7

С 27,3-30

Si остальное

(патент РФ №2193539)

В качестве армирующего наполнителя в данном композиционном материале используется высокопрочный углеродный жгут на основе полиакрилнитрила, а в качестве стекломатрицы - боросиликатное стекло, дополнительно содержащее оксикарбид кремния.

Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость (высокая убыль массы) при температурах 500-800°С.

Технической задачей изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочих температурах до 800°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, В₂O₃, SiOC и армирующий углеродный наполнитель, в котором в качестве армирующего углеродного наполнителя используют высокомодульный углеродный волокнистый материал, а стекломатрица дополнительно содержит TiSi₂ и SiB₄, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Стекломатрица 60,5-73,5

Высокомодульный углеродный

волокнистый материал 26,5-39,5

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂ 58,9-87,4

В₂O₃ 2,7-15

SiOC 4,5-11,5

TiSi₂ 4,5-11,5

SiB₄ 0,9-3,7

Авторами установлено, что использование в качестве армирующего углеродного наполнителя - высокомодульного углеродного волокнистого материала с модулем упругости не менее 450-500 ГПа и дополнительное содержание в стекломатрице дисилицида титана и тетраборида кремния, при заявленном соотношение компонентов, позволит повысить жаростойкость (снизить убыль массы) изделий из композиционного материала при рабочих температурах до 800°С

Примеры осуществления

Для получения композиционного материала были приготовлены 4 композиции, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1. В качестве высокомодульного углеродного волокнистого материала использовали углеродную ленту “Кулон”.

Дисперсные частицы стекломатрицы (SiO₂, В₂О₃) смешивали в течение 2-4 часов с частицами оксикарбида кремния (SiOC), дисилицида титана (TiSi₂) и тетраборида кремния (SiB₄) в фарфоровых барабанах алундовыми шарами в жидкой среде, из расчета на 100 г сухой смеси 70-100 мл жидкости. Полученную суспензию наносили на ленту “Кулон” из непрерывного высокомодульного углеродного волокнистого материала с одновременной прокаткой резиновым валиком и последующей выкладкой на формовочную плоскость. Полученные полуфабрикаты сушили при температуре 18-100°С до постоянной массы. Полученные заготовки укладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию.

В таблице 2 представлены свойства полученных образцов композиционного материала в сравнении с прототипом.

Таблица 1
Компоненты композиционного материала	Содержание компонентов в образцах, мас. %
	Компоненты матрицы	1	2	3	4	5(прототип)
высокомодульный углеродный волокнистый материал		26,5	30	35	39,5	35
стекломатрица		73,5	70	65	60,5	65
	SiO2	87,4	76,5	58,9	67,3	69,3
	В2O3	2,7	6	15	6	15,0
	SiOC	4,5	6,5	11,5	11,5	15,7
	TiSi2	4,5	8,5	10,9	11,5	-
	SiB4	0,9	2,5	3,7	3,7	-

Таблица 2
Свойства композиционного материала	1	2	3	4	5(прототип)
Температура, °С	800	800	800	800	800
Время, час	50	50	50	50	26
Убыль массы образцов после испытаний, мас. %	2.9	2,8	2,7	2,7	32,4
Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов)	Отсутствуют	Отсутствуют	Отсутствуют	Отсутствуют	Прогары

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала значительно возрастает, прототип композиционного материала теряет значительную часть армирующего наполнителя в течении 26 часов при 800°С вследствие чего имеет низкую жаропрочность.

Незначительная убыль массы образцов (менее 3 мас.%) подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала, предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.

Из таблицы 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 10 раз при температурах до 800°С и позволяет увеличить ресурс работы изделий из него.

Предложенный композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.

Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, В₂О₃, SiOC и армирующий углеродный наполнитель, отличающийся тем, что в качестве армирующего углеродного наполнителя используют высокомодульный углеродный волокнистый материал, а стекломатрица дополнительно содержит TiSi₂ и SiB₄, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица 60,5-73,5

Высокомодульный углеродный

волокнистый материал 26,5-39,5

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂ 58,9-87,4

В₂О₃ 2,7-15

SiOC 4,5-11,5

TiSi₂ 4,5-11,5

SiB₄ 0,9-3,7