Композиционный материал и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2273617:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями, используемым для изготовления кольцевых элементов, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении. Технический результат - снижение температуры начала уплотнения, снижение температуры формования на 100-200°С, повышение плотности, ударной вязкости и снижение пористости композиционного материала, что позволяет изготавливать изделия сложных форм с необходимым уровнем физико-механических характеристик. Предложен композиционный материал следующего химического состава, мас.%: стекломатрица - 35-75, углеродный волокнистый наполнитель - 25-65. Стекломатрица содержит следующие компоненты (мас.%): SiO2 - 30-65, В2O3 - 2-10, SiOC - 1-15, раствор канифольной смолы - 30-45. Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде нити, жгута, ленты, ткани. Изделие выполнено из предложенного композиционного материала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями, используемым для изготовления теплонагруженных деталей, например бандажных колец, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.
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).
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
| SiO2 | 79,93 |
| В2О3 | 12,12 |
| Al2О3 | 1,93 |
| MgO | 0,17 |
| CaO | 0,43 |
| Na2O | 3,68 |
| К2O | 1,74 |
(Химическая технология стекла и ситаллов. Под ред. Н.М.Павлушкина. М.: Стройиздат, 1983, с. 301).
Известный композиционный материал может быть использован для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.
Недостатками указанного композиционного материала и изделий из него являются комплексное ухудшение свойств и низкая жаростойкость при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.
Известен также композиционный материал, имеющий химический состав, мас.%:
| Стекломатрица | 50 |
| Углеродное волокно | 50 |
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
| SiO2 | 81 |
| В2О3 | 13 |
| Al2O3 | 2 |
| Na2O | 4 |
(патент США №4511663).
В качестве стекломатрицы в данном композиционном материале используется стекло "Пирекс 7740". Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных элементов двигателей морской авиации и наземных двигательных установок.
Недостатками указанного композиционного материала и изделий из него являются низкая фазовая термостабильность, вызванная кристаллизацией стекломатрицы такого типа с образованием кристобалита, как на стадии изготовления изделия, так и во время его 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 |
| В2О3 | 13,5-15 |
| SiOC | 15,7-27,6 |
SiOC имеет химический состав, мас.%:
| О | 2-4,7 |
| С | 27,3-30 |
| Si | остальное |
(патент РФ №2193539).
Материал-прототип может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.
Недостатками композиционного материала - прототипа являются повышенные температуры начала уплотнения и формования, вызывающие чрезмерное увеличение адгезии на границе раздела "матрица-наполнитель", приводящее к охрупчиванию материала, и, как следствие, пониженные ударная вязкость, плотность и повышенная пористость. Данный материал не позволяет получать изделия сложных форм, например бандажные кольца, с необходимым уровнем физико-механических характеристик.
Технической задачей изобретения является снижение температуры начала уплотнения, снижение температуры формования на 100-200°С, повышение плотности, ударной вязкости и снижение пористости композиционного материала, позволяющие изготавливать изделия сложных форм с необходимым уровнем физико-механических характеристик.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, В2O3, SiOC, и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит раствор канифольной смолы, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Стекломатрица | 35-75 |
| Углеродный волокнистый | |
| наполнитель | 25-65 |
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
| SiO2 | 30-65 |
| В2O3 | 2-10 |
| SiOC | 1-15 |
| Раствор канифольной смолы | 30-45 |
Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде нити, жгута, ленты, ткани.
Изделие выполнено из предложенного композиционного материала.
Авторами установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу раствора канифольной смолы при заявленном соотношении и содержании компонентов позволило снизить температуры начала уплотнения и формования материала на 100-200°С при увеличении плотности, ударной вязкости и снижении пористости композиционного материала и дало возможность изготавливать из него изделия сложных форм, например бандажные кольца, с необходимым уровнем физико-механических характеристик.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Пример 1
Для получения композиционного материала и изделия в виде бандажного кольца из него была приготовлена композиция (образец 1), соотношение компонентов в которой приведено в таблице 1. В качестве углеродного волокнистого наполнителя использовали углеродную ленту "Кулон".
Дисперсные частицы (содержание частиц размерами менее 10 мкм более 60%) стекломатрицы (SiO2, В2О3) смешивали в течение 2-4 часов с частицами оксикарбида кремния (SiOC) и раствором канифольной смолы в фарфоровых барабанах алундовыми шарами в жидкой среде из расчета на 100 г сухой смеси 70-100 мл жидкости и 55-80 г раствора канифольной смолы. Полученной суспензией пропитывали непрерывную ленту "Кулон". Пропитанную ленту наматывали на специальную оснастку для получения полуфабриката кольца. Полученный полуфабрикат сушили при температуре 18-60°С до постоянной массы. Затем полуфабрикат укладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре выше 1200°С.
Примеры 2-4 осуществлялись аналогично примеру 1, а соотношения компонентов материала приведены в таблице 1.
В таблице 2 представлены свойства полученных образцов композиционного материала в сравнении с прототипом.
| Таблица 1 | ||||||
| Компоненты композиционного материала | Содержание компонентов в образцах, мас.% | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 (прототип) | ||
| Лента "Кулон" | 25 | - | ||||
| углеродный волокнистый наполнитель | Жгут УКН П-5000 | 35 | 35 | |||
| Ткань "Урал Т-22" | 45 | - | ||||
| Нить "Гранит" | 65 | - | ||||
| стекломатрица | 75 | 65 | 55 | 35 | 65 | |
| SiO2 | 65 | 50 | 30 | 45 | 69,3 | |
| В2O3 | 4 | 8 | 10 | 2 | 15,0 | |
| SiOC | 1 | 7 | 15 | 13 | 15,7 | |
| Раствор канифольной смолы | 30 | 35 | 45 | 40 | - | |
| Канифольная смола | 40 | 50 | 50 | 60 | - | |
| Растворитель | Скипидар | 60 | - | |||
| Изопропиловый спирт | 50 | - | ||||
| Ацетон | 50 | - | ||||
| Скипидар | 40 | - |
| Таблица 2 | |||||
| Свойства композиционного материала | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 (прототип) |
| Температура начала уплотнения, °С | 120 | 120 | 170 | 150 | 650 |
| Температура формования, °С | 1270 | 1250 | 1300 | 1300 | 1450 |
| Плотность, г/см3 | 1,98 | 1,97 | 1,95 | 1,95 | 1,78 |
| Пористость, % | 2,9 | 3,4 | 3,1 | 3,4 | 12,8 |
| Ударная вязкость, КДж/м2 | 55 | 60 | 66 | 70 | 35 |
| Внешний вид кольцевого изделия | Без дефектов, соответствует необходимым геометрическим размерам | Трещины, утолщения |
Из таблицы 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет снизить температуру начала уплотнения ˜ на 500°С, температуру формования материала на 100-200°С, снизить пористость в 3,8-4,4 раза, увеличить плотность и ударную вязкость композиционного материала и изделий из него на 9-11% и 58-100% соответственно.
Предложенный композиционный материал позволяет изготавливать из него изделия сложных форм, применяющиеся в авиационной, космической технике и машиностроении.
1. Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, В2О3, SiOC и углеродный волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит раствор канифольной смолы, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Стекломатрица | 35-75 |
| Углеродный волокнистый | |
| наполнитель | 25-65 |
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
| SiO2 | 30-65 |
| В2O3 | 2-10 |
| SiOC | 1-15 |
| Раствор канифольной смолы | 30-45 |
2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде нити, жгута, ленты, ткани.
3. Изделие из композиционного материала, отличающееся тем, что оно выполнено из материала по п.1.
