Способ получения композиционного материала

Изобретение относится к области получения новых композиционных материалов. Задачей изобретения является разработка способа получения композиционного материала с карбидокремниевой матрицей, позволяющего улучшить механические свойства получаемых материалов. Задача изобретения решена в предлагаемом способе, включающем формование заготовки из гексагонального нитрида бора за счет последующих термообработок заготовки в среде углеводородов и в вакууме при температуре 1400-1700°С и пропитки жидким кремнием при температуре 1420-1700°С. При этом целесообразно осуществить термообработку в среде углеводородов до увеличения массы заготовки на 3-60%. Реализация предлагаемого способа по сравнению с известным обеспечивает получение новых композиционных материалов, в которых зерна гексагонального нитрида бора связаны карбидокремниевой матрицей и делает технологию получения и свойства материалов более контролируемыми. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области получения новых композиционных материалов.

Известен способ получения композиционного материала, описанный в заявке на патент России №94032296/33 (кл. С 04 В 35/583). Суть способа состоит в том, что из порошка гексагонального нитрида бора формуют заготовку материала. Сформованную заготовку, после предварительной термообработки, пропитывают низковязкими олигомерами метилсилана. Затем осуществляют вторичную термообработку. В ходе вторичной термообработки олигомеры разлагаются с образованием SiC. Таким образом, получают материал, состоящий из нитрида бора и карбида кремния.

Однако описанный способ имеет некоторые недостатки. Одним из них является использование олигомеров как источника углерода и кремния для получения карбида кремния. Разложение олигомеров в порах заготовки происходит, как правило, с образованием пористости, поэтому получаемые материалы имеют невысокие механические свойства. Кроме того, поскольку формование заготовок осуществляется взрывом в гидродинамической установке, получение изделий сложной формы крайне затруднено.

Задачей изобретения является разработка способа получения композиционного материала с карбидокремниевой матрицей, позволяющего улучшить свойства материалов, в частности трибологические. Задача изобретения решена в предлагаемом способе, включающем формование заготовки из гексагонального нитрида бора, за счет последующих термообработок заготовки в среде углеводородов и в вакууме при температуре 1400-1700°С и пропитки жидким кремнием при температуре 1420-1700°С. При этом целесообразно осуществить термообработку в среде углеводородов до увеличения массы заготовки на 3-60%.

Сущность изобретения состоит в следующем. Первой стадией является формование заготовок из порошка гексагонального нитрида бора, например, с добавлением временного связующего. Для формирования карбида кремния в заготовке авторы решили использовать процесс пропитки ее жидким кремнием. Однако для образования SiC в заготовке необходимо наличие углерода, который, вступив в реакцию с кремнием, образует карбид кремния. В качестве источника углерода в предлагаемом техническом решении использован пироуглерод. Это осуществлено включением в процесс получения композиционного материала термообработки заготовки в среде углеводородов (при термообработке, осуществляемой при температурах выше температуры разложения углеводородов). Углеводороды в этих условиях способны образовывать водород и углерод (пироуглерод). Пироуглерод образуется за счет гетерогенного процесса, т.е. на внутренней поверхности пор заготовки, доступной для проникновения углеводородов. Синтез пироуглерода может быть осуществлен из различных углеводородов или их смесей. Например, может быть использован природный газ, а сама термообработка проведена при температуре 800-900°С.

Как уже отмечалось, при термообработке происходит образование пироуглерода на поверхности пор заготовки. То есть вся внутренняя поверхность заготовки покрывается тонким сплошным слоем углерода, толщина которого увеличивается с увеличением времени термообработки.

После термообработки в среде углеводородов заготовка содержит в своем составе необходимое для образования карбида кремния количество углерода. Кроме того, вся поверхность пор заготовки покрыта углеродом, который хорошо смачивается кремнием.

Заметим, что образованный на поверхности пор слой пироуглерода не перекрывает устья пор, и все поры заготовки остаются при этом открытыми, что очень важно для последующей пропитки жидким кремнием.

Пропитку кремнием осуществляют в инертных или восстановительных газах или вакууме. Жидкий кремний хорошо смачивает поверхность заготовки, проникает по порам в объем заготовки и взаимодействует с углеродом с образованием карбида кремния. Пропитку осуществляют при температурах 1420-1700°С.

Заметим, что увеличение массы заготовки в ходе термообработки за счет пироуглерода, образовавшегося внутри пор, предпочтительно в пределах 3-60% от массы исходной заготовки. Меньшее содержание пироуглерода не обеспечивает необходимое содержание карбида кремния в получаемом материале. При содержании пироуглерода более 60% возникают значительные трудности при пропитке заготовок жидким кремнием, а получаемые материалы могут содержать углерод, что нежелательно.

Следующие примеры поясняют сущность изобретения.

Пример 1. Из порошка гексагонального нитрида бора с размером частиц 20-100 мкм формуют заготовку в виде диска d=20 мм h=2 мм. Объемная доля гексагонального нитрида бора в заготовке составляет 0,55. Заготовку помещают в проточный реактор синтеза пироуглерода, где осуществляют термообработку заготовки. Термообработку проводят в среде природного газа при температуре 890°С в течение 9 часов. После термообработки масса заготовки увеличивается на 27%. Затем заготовку помещают в высокотемпературную печь и термообрабатывают в вакууме при 1600°С в течение 3 минут. После этого в той же печи заготовки пропитывают жидким кремнием. Жидкий кремний получают плавлением "металлического" кремния непосредственно на поверхности пропитываемой заготовки. Пропитку осуществляют при температуре 1500-1600°С в вакууме с остаточным давлением 15 Па. После пропитки и остывания печи из нее извлекают готовый композиционный материал. Он имеет плотность 2,60 г/см³. Рентгенофазовый анализ показал наличие в структуре материала гексагонального нитрида бора, карбида кремния и кремния. Наличие каких-либо других фаз, указывающих на взаимодействие гексагонального нитрида бора с кремнием, обнаружено не было. Исследование структуры показало, что материал практически не содержит пор. Полученный материал обладает прочностью при изгибе 100 МПа, коэффициентами трения: со сталью в масле - 0,05, самого по себе в масле - 0,03.

Пример 2. Пример осуществляют аналогично примеру 1, но объемная доля гексагонального нитрида бора в заготовке составляет 0,32, и термообработку осуществляют при 890°С до увеличения массы заготовки на 60%. Плотность материала 2,54 г/см³. Рентгенофазовый анализ обнаруживает фазы нитрида бора, карбида кремния и кремния. Исследование структуры показало, что материал обладает пористостью менее 2%. Полученный материал обладает прочностью на изгиб 120 МПа. коэффициентами трения: со сталью в масле - 0,05, самого по себе в масле - 0,03.

Таким образом, реализация предлагаемого способа по сравнению с известным:

- обеспечивает получение новых композиционных материалов с хорошими механическими и трибологическими свойствами, в которых зерна гексагонального нитрида бора связаны карбидокремниевой матрицей. Наличие в материалах гексагонального нитрида бора предпочтительно за счет его термостабильности и способности сохранять свойства композиционного материала при высоких температурах, в том числе при контакте со сплавами на основе железа, никеля, кобальта;

- делает технологию получения и свойства материалов более контролируемыми. Так, содержание нитрида бора определяется его содержанием в исходной заготовке; содержание карбида кремния задается содержанием пироуглерода в термообработанной заготовке, а содержание поступающего в реакцию кремния определяется пористостью исходной заготовки.

1. Способ получения композиционного материала, включающий формование заготовки из порошка гексагонального нитрида бора и последующее формирование карбида кремния в ее порах, отличающийся тем, что после формования заготовку последовательно подвергают термообработке в среде углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения с образованием углерода, и термообработке в вакууме при 1400-1700°С, а затем пропитывают жидким кремнием при температуре 1420-1700°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку в среде углеводородов осуществляют до увеличения массы заготовки на 3-60%.