Защитное покрытие

Изобретение относится к области производства защитных покрытий, которые могут быть использованы при эксплуатации неорганических волокнистых композиционных материалов конструкционного и технологического назначения, в изделиях авиационно-космической и машиностроительной промышленности. Технической задачей изобретения является создание защитного покрытия, обладающего повышенными термостойкостью и сцеплением к композиционным материалам при рабочих температурах до 1600°С. Защитное покрытие имеет следующий химический состав, мас.%: SiO₂ 12-15, SiB₄ 1-5, MoSi₂ 20-30, SiC 0,5-3, Si₃N₄ 0,5-3, BaO 1-5, TiC 0,5-4, Si₃С₅Н₁₅O_0,25 остальное. Применение защитного покрытия на неорганических волокнистых материалах позволит получить термостойкие композиционные материалы с высокой надежностью для изделий нового поколения в авиакосмической и машиностроительной промышленности. 4 табл.

 

Изобретение относится к области производства защитных покрытий, которые могут быть использованы при эксплуатации неорганических волокнистых композиционных материалов конструкционного, теплофизического и технологического назначения в изделиях авиационно-космической и машиностроительной промышленности до 1600°С.

Известно защитное покрытие следующего химического состава, мас.%:

SiO2	40-75
Al2О3	6-18
CaO	4-11
MgO	1-4
В2O3	5-15
Na2O	0,5-1
К2O	0,3-3
BaO	5-10
Al2O3·3SiO2	2-7

Патент РФ №2151110

Недостатком известного покрытия является недостаточная термостойкость покрытия на композиционных материалах.

Известно также защитное покрытие химического состава, мас.%:

SiO2	28-50
Al2О3	5-15
CaO	1-6
MgO	1-4
В2O3	14-45
Na2O	1-6
К2O	1-4
BaO	3-12
2CaO·SiO2	0,1-0,5
3СаО·Al2О3	0,1-0,5

Патент РФ №2151111

Недостатком известного покрытия является недостаточное сцепление к композиционным материалам.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является защитное покрытие следующего химического состава, мас.%:

SiO2	0,1-10
SiB4	0,1-0,5
MoSi2	0,2-5
SiC	1,5-10
Si3C5H15O0,25	Остальное

Патент РФ №2249571

Недостатками прототипа являются недостаточные термостойкость и сцепление покрытия к композиционным материалам.

Технической задачей изобретения является создание защитного покрытия, обладающего повышенной термостойкостью и сцеплением к композиционным материалам при рабочих температурах до 1600°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложено защитное покрытие, включающее SiO₂, SiB₄, MoSi₂, SiC, Si₃C₅H₁₅O_0,25, которое дополнительно содержит Si₃N₄, BaO, TiC при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2	12-15
SiB4	1-5
MoSi2	20-30
SiC	0,5-3
Si3N4	0,5-3
BaO	1-5
TiC	0,5-4
Si3C5H15O0,25	Остальное

Авторами экспериментально установлено, что введение Si₃N₄, BaO и TiC в соответствии с заявленным соотношением и содержанием компонентов в покрытии привело к повышению термостойкости и сцепления покрытия к композиционным материалам систем SiO₂/SiO₂, SiO₂/Al₂O₃, C/SiC.

Рентгеноструктурный анализ покрытия показал, что в процессе его формирования образуются сложные кристаллические фазы 3SiO₂·SiC и 2Si₂N₄·SiB₄·BaO. Исследование структуры покрытия электронно-микроскопическим методом свидетельствует, что структура покрытия имеет мелкокристаллическое строение с равным распределением кристаллических фаз. Полученные кристаллические фазы 3SiO₂·SiC и 2Si₂N₄·SiB₄·BaO и равномерная мелкокристаллическая структура обеспечивают повышение термостойкости и сцепления покрытия к защищаемому композиционному материалу при рабочих температурах до 1600°С.

Примеры осуществления

Пример 1

Для приготовления суспензии предлагаемого защитного покрытия поликарбосилан (Si₃C₅H₁₅O_0,25) в количестве 64,5 мас.% помещали в стеклянную емкость и механически смешивали с мелкодисперсными порошками размером 1-5 мкм, мас.%: SiO₂ 12, SiB₄ 1, MoSi₂ 20, SiC 0,5, Si₃Н₄ 0,5, BaO 1, TiC 0,5, в течение 1 ч. Нанесение суспензии покрытия осуществили следующим образом: полученную суспензию (с вязкостью 14 с по В3246) заливали в эксикатор, в суспензию помещали образцы волокнистых композиционных материалов систем SiO₂/SiO₂, SiO₂/Al₂O₃, C/SiC и подвергали свободной пропитке при комнатной температуре в течение 15 часов. Затем образцы извлекали из суспензии, подвергали сушке при температуре 150°С в течение 3 часов и формировали покрытие в инертной среде до температуры 800°С со скоростью 5°С/мин.

На полученных образцах исследовались термостойкость и сцепление предлагаемого защитного покрытия на композиционных материалах систем SiO₂/SiO₂, SiO₂/Al₂O₃, C/SiC.

Примеры 2, 3 получения защитных покрытий осуществляли аналогично примеру 1.

Составы предлагаемых покрытий, свойства покрытий и композиционных материалов приведены в табл.1, 2, 3, 4.

Таблица 1
Номера составов покрытий	Компоненты, масс.%
SiO2	SiB4	MoSi2	SiC	Si3N4	BaO	TiC	Si3C5H15O0,25
Предлагаемое
1	12	1	20	0,5	0,5	1	0,5	ост.
2	15	5	30	3	3	5	4	ост.
3	13,5	3	25	2	2,5	3	3,5	ост.
Прототип 4	10	0,5	5	1,5	-	-	-	ост

Таблица 2
Номера составов покрытий	Термостойкость защитного покрытия режим 20-1200-20°С количество циклов на композиционном материале	Внешний вид образцов после испытаний
SiO2/SiO2	SiO2/Al2O3	C/SiC.
Предлагаемое
1	50	50	50	трещин нет
2	50	50	50	трещин нет
3	50	50	50	трещин нет
Прототип 4	5	2	2	появление трещин
Таблица 3
Номера составов покрытий	Сцепление покрытия (площадь скола %) при испытании на термостойкость 20-1200-20°С-50 циклов на композиционном материале	Внешний вид
SiO2/SiO2	SiO2/Al2O3	C/SiC
Предлагаемое
1	0	0	0
2	0	0	0	Сколов нет
3	0	0	0
Прототип 4	20	30	20	Скол покрытия
Таблица 4
Номера составов	Температуроустойчивость композиционных материалов систем (% усадки) при температуре °С испытания
покрытий	SiO2/SiO2	SiO2/Al2O3	C/SiC.
	1200°С	1400°С	1600°С	1200°С	1400°С	1600°С	1200°С	1400°С	1600°С
Предлагаемое
1	0,5	3	3	0,05	0,1	0,2	0,1	0,1	0,2
2	0,5	3	3	0,05	0,1	0,2	0,1	0,1	0,2
3	0,5	3	3	0,05	0,1	0,2	0,1	0,1	0,2
Прототип 4	2	10	5,1	0,15	0,35	0,5	0,23	0,33	0,45

Термостойкость предлагаемого защитного покрытия исследовалась по режиму 20-1200-20°С в течение 50 циклов. Предлагаемое защитное покрытие должно выдерживать 50 циклов теплосмен без разрушения покрытия.

Сцепление предлагаемого защитного покрытия к композиционным материалам систем SiO₂/SiO₂, SiO₂/Al₂O₃, C/SiC определяли по площади скола в % и по внешнему виду.

Термостойкость предлагаемого защитного покрытия на образцах композиционных материалов систем SiO₂/SiO₂, SiO₂/Al₂O₃, C/SiC выше в 10, 25, 25 раз соответственно по сравнению с термостойкостью защитного покрытия прототипа (табл.2).

Предлагаемое защитное покрытие обладает высоким сцеплением к композиционным материалам систем SiO₂/SiO₂, SiO₂/Al₂O₃, C/SiC. Площадь скола покрытия с композиционных материалов составляет 0% (табл.3).

Предлагаемое покрытие в процессе испытания его на термостойкость не скалывается с композиционных материалов.

Температуроустойчивость с предлагаемым защитным покрытием на композиционных материалах системы SiO₂/SiO₂ при температурах нагрева 1200°С, 1400°С, 1600°С выше в 4, 3,3, 1,7 раза; на образцах системы SiO₂/Al₂O₃ выше 3, 3,5, 2,5 раза; на образцах системы C/SiC выше в 2,3, 3,3, 2,25 раза соответственно по сравнению с композиционными материалами с покрытием прототипа (табл.4).

Применение защитного покрытия на неорганических волокнистых материалах позволит получить термостойкие композиционные материалы с высокой надежностью для изделий нового поколения авиакосмической и машиностроительной промышленности.

Защитное покрытие, включающее SiO₂, SiB₄, MoSi₂, SiC, Si₃С₅Н₁₅O_0,25, отличающееся тем, что дополнительно содержит Si₃N₄, BaO, TiC при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2	12-15
SiB4	1-5
MoSi2	20-30
SiC	0,5-3
Si3N4	0,5-3
BaO	1-5
TiC	0,5-4
Si3C5H15O0,25	Остальное