Способ получения композиционного материала

Изобретение относится к области получения неорганических волокнистых теплоизоляционных материалов конструкционного назначения для изделий гиперзвуковых летательных аппаратов, авиационно-космической и машиностроительной промышленности. Технический результат данного изобретения - создание композиционного материала с повышенной эрозионной стойкостью и жаростойкостью при рабочих температурах 1000-1750°С. Способ получения композиционного материала включает пропитку заготовки из керамического волокна неорганическим золем, формование и обезвоживание заготовки путем ее деформирования с последующей сушкой при температуре 50-80°С в течение 1-3 ч. Просушенную заготовку дополнительно подвергают пропитке кремнийорганическим полимером, содержащим нанопорошок SiC, и вторичной сушке при температуре 100-150°С в течение 1-3 ч. Содержание нанопорошка SiC в кремнийорганическом полимере составляет 1-5 мас.%. Термообработку заготовки проводят при температуре 700-800°С в течение 3-5 часов. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области получения неорганических волокнистых материалов конструкционного назначения для изделий гиперзвуковых летательных аппаратов, авиационно-космической и машиностроительной промышленности, а именно к легковесным композиционным материалам с высокой пористостью (70-80%), рекомендуемым для использования в теплозащитных конструкциях.

Известен способ изготовления огнеупорных композитов, который включает диспергирование алюмосиликатного волокна в коллоидном кремнеземе, формирование заготовки, пропитку суспензией золей оксида алюминия и оксида кремния с порошком оксида хрома, сушку и термообработку при температуре 900-1200°С. Рабочая температура огнеупорных композитов не превышает 1300°С (Патент США №4735757).

Известен способ получения жаростойкого и жаропрочного формованного материала из керамических волокнистых материалов, включающий смешивание компонентов в течение 20 мин, формование на прессе при давлении 2 бар, вакуумную обработку, сушку при 110-180°С. Рабочая температура такого жаропрочного формованного материала также не превышает 1300°С (Патент ФРГ №3444397).

Недостатками известных способов является низкая температуроустойчивость получаемых материалов (до 1300°С).

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ получения композиционного материала, включающий пропитку заготовки из керамического волокна неорганическим золем, содержащим 1-10 мас.% мелкодисперсного порошка MgO, формование и обезвоживание заготовки путем деформирования с последующей сушкой и термообработкой при 150-350°С в течение 1-3 часов. Рабочая температура неорганического композиционного материала согласно изобретению составляет 1000-1750°С (Патент РФ №2249572).

Недостатком способа-прототипа является недостаточная эрозионная стойкость и жаростойкость материала при рабочих температурах.

Технической задачей данного изобретения является создание композиционного материала с повышенной эрозионной стойкостью и жаростойкостью при рабочих температурах 1000-1750°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ получения композиционного материала, включающий пропитку заготовки из керамического волокна неорганическим золем, формирование и обезвоживание ее путем деформирования с последующей сушкой, причем просушенную заготовку дополнительно подвергают пропитке кремнийорганическим полимером, содержащим нанопорошок SiC, и вторичной сушке, после чего заготовку термообрабатывают. Содержание нанопорошка SiC в кремнийорганическом полимере составляет 1-5 мас.%. Первичную сушку после деформирования проводят при температуре 50-80°С в течение 1-3 ч, а вторичную сушку - при 100-150°С в течение 1-3 часов. Термообработку заготовки проводят при 700-800°С в течение 3-5 часов.

Отличительным признаком изобретения является пропитка заготовки кремнийорганическим полимером, содержащим нанопорошок SiC с размером частиц 60-80 нм. Авторами установлено, что дополнительная пропитка заготовок композиционного материала кремнийорганическим полимером с введением в него нанопорошка SiC и вторичная сушка привели к повышению эрозионной стойкости и жаростойкости композиционного материала.

Нанопорошок SiC имеет чрезвычайно высокую удельную поверхность, вследствие чего теплофизические свойства нанопорошка значительно отличаются от порошка SiC. Кроме того, повышение жаростойкости материала наблюдается уже при минимальном введении частиц нанопорошка, при этом сохраняются теплофизические свойства и низкая плотность основного материала. При повышенном содержании нанопорошка жаростойкость материала возрастает, однако оптимальное содержание нанопорошка SiC 1-5 мас.% обусловлено сочетанием требуемых эксплуатационных свойств материала и его стоимости, так как нанопорошок SiC является дорогостоящим компонентом.

Рентгенофазовый анализ композиционного материала показал, что в процессе получения материала образуются тугоплавкие соединения SiC, Si₃N₄, 3Al₂О₃·SiO₂, которые повышают эрозионную стойкость и жаростойкость неорганических волокнистых композиционных материалов.

Примеры осуществления.

Пример 1.

Заготовку из керамических волокон системы Al₂O₃·SiO₂ пропитывали неорганическим золем Al₂О₃, затем заготовку формовали и обезвоживали путем деформирования. Полученную заготовку подвергали первичной сушке в сушильном шкафу при температуре 50°С, в течение 3 часов.

Полученную просушенную заготовку пропитывали кремнийорганическим полимером поликарбосиланом (Si₃С₅Н₁₅O_0,25), в который предварительно был введен нанопорошок SiC 1 мас.%. Полученную заготовку подвергали вторичной сушке в сушильном шкафу при температуре 150°С в течение 1 часа, затем проводили термообработку при 700°С в течение 5 часов.

Полученный композиционный материал подвергался испытаниям на эрозионную стойкость и жаростойкость при температурах 1000-1750°С.

Способ получения предлагаемого композиционного материала систем Al₂O₃·SiO₂/Al₂O₃·SiC·Si₃N₄, SiC/Zr₂SiO₄·SiC·Si₃N₄, SiO₂/SiO₂·SiC·Si₃N₄, приведенных в таблице 1 (примеры 2, 3), осуществляли аналогично примеру 1.

По способу-прототипу были получены образцы композиционного материала системы Al₂O₃·SiO₂/Al₂O₃·MgO (пример 4), которые подвергались испытаниям на эрозионную стойкость и жаростойкость при температурах 1000-1750°С в тех же условиях, что и образцы, полученные по предлагаемому способу.

Составы композиционных материалов по предлагаемому способу и способу-прототипу, физико-термические свойства материалов приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 2.
№ примера	Эрозионная стойкость унос - г/см2	Жаростойкость привес - г/см2	Наличие дефектов
	Температура испытаний Т°С-τ=5 ч
1000	1500	1750	1000	1500	1750
1 2 3	0,05 0,04 0,06	0,6 0,6 0,8	1,0 1,2 1,0	0,01 0,01 0,01	0,1 0,2 0,3	0,6 0,9 0,6	Дефектов нет, образцы сняты с испытаний без разрушения
Прототип 4	0,2	3,8	10	0,05	1,6	6,4	Локальные трещины, образцы сняты с испытаний

Эрозионную стойкость композиционных материалов определяли по уносу материала с поверхности нагретого образца при воздействии воздушной струи давлением в две атмосферы. Величину уноса определяли потерей массы образца к величине их площади.

Жаростойкость образцов композиционных материалов определяли путем взвешивания охлажденных образцов, предварительно выдержанных при температурах 1000, 1500, 1750°С в течение 5 часов и охлажденных на воздухе. Величину жаростойкости определяли приростом массы образцов к величине их площади.

Из таблицы 2 видно, что эрозионная стойкость предлагаемых композиционных материалов систем Al₂O₂·SiO₂/Al₂O₃·SiC·Si₃N₄, SiC/Zr₂SiO₄·SiC·Si₃N₄, SiO₂/SiO₂·SiC·Si₃N₄ при температурах испытаний 1000, 1500, 1750°С в 3; 5; 10 раз соответственно выше по сравнению с эрозионной стойкостью композиционного материала-прототипа. Жаростойкость предлагаемых композиционных материалов систем Al₂O₃·SiO₂/Al₂O₃·SiC·Si₃N₄, SiC/Zr₂SiO₄·SiC·Si₃N₄, SiO₂/SiO₂·SiC·Si₃N₄ при температурах испытаний 1000°С, 1500°С, 1750°С в 5, 8, 9 раз выше соответственно по сравнению с жаростойкостью композиционного материала-прототипа.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить композиционный материал теплозащитного назначения с повышенной эрозионной стойкостью и жаростойкостью, обеспечивающими высокую надежность и качество изделий при их эксплуатации.

1. Способ получения композиционного материала, включающий пропитку заготовки из керамического волокна неорганическим золем, формование и обезвоживание заготовки путем ее деформирования с последующей сушкой и термообработкой, отличающийся тем, что просушенную заготовку перед термообработкой дополнительно подвергают пропитке кремнийорганическим полимером, содержащим нанопорошок SiC, и вторичной сушке.

2. Способ получения композиционного материала по п.1, отличающийся тем, что содержание нанопорошка SiC в кремнийорганическом полимере составляет 1-5 мас.%.

3. Способ получения композиционного материала по п.1, отличающийся тем, что первичную сушку заготовки после деформирования проводят при температуре 50-80°С в течение 1-3 ч, а вторичную сушку - при температуре 100-150°С в течение 1-3 ч.

4. Способ получения композиционного материала по п.1, отличающийся тем, что термообработку заготовки проводят при температуре 700-800°С в течение 3-5 ч.