Керамический композиционный материал

Авторы патента:

Солнцев Сергей Станиславович (RU)

Каблов Евгений Николаевич (RU)

Солнцев Станислав Сергеевич (RU)

Гращенков Денис Вячеславович (RU)

Уварова Наталья Евгеньевна (RU)

C04B35/80 - волокна, нити, пластинки, спиральные пружины или подобные им формованные материалы

C03C14 - Составы, содержащие нестеклянный компонент, например составы, содержащие нити, волокна, пластинки, спиральные пружины или аналогичные им элементы, диспергированные в основе из стекла (составы шихты для изготовления стекла C03C 6/00; кристаллизуемая стеклокерамика C03C 10/00)

Владельцы патента RU 2347771:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокристаллических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой, таких как стойки, проставки переходных устройств, элементы резьбового крепежа и т.д. на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной, космической технике и в машиностроении. Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости и термостойкости материала при рабочих температурах до 800°С при снижении коэффициента термического расширения. Предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу и углеродный волокнистый наполнитель при следующем соотношении компонентов в мас.%: стекломатрица - 60,5-73,5, углеродный волокнистый наполнитель - 26,5-39,5, причем стекломатрица содержит следующие компоненты в мас.%: Al₂O₃ - 21,0-21,9; SrO - 4,7-19,4; BaO - 1,0-14,0; TiO₂ - 11,7-12,2, Al₂TiO₅ - 1,8-6,5, SiO₂ - остальное. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:

Стекломатрица	45,0-80,2
Углеродное волокно	19,8-55,0

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂	79,93
В₂О₃	12,12
Al₂O₃	1,93
MgO	0,17
CaO	0,43
Na₂O	3,68
K₂O	1,74

(The mechanical properties of carbon

fiber reinforced Pyrex glass. //

Journal of Materials Science

7 (1972) P.1454

Недостатком указанного керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при воздействии температур выше 450°С в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Известен композиционный материал, включающий стекломатрицу, армированную углеродными волокнами, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

Al₂О₃	2,7
В₂О₃	12,3
Na₂O	4,2
CaO	0,3
SiO₂	80,5

(патент США №5391213)

Недостатками известного композиционного материала являются низкая жаростойкость и повышенный коэффициент термического расширения при рабочих температурах 500-550°С.

Известные композиционные материалы могут быть использованы только для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.

Известен также композиционный материал следующего 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

(патент РФ №2193539)

Недостатком указанного композиционного материала является недостаточно высокая жаростойкость при температурах выше 800°С.

Композиционный материал может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.

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

Углеродное волокно	50
Стекломатрица	50

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂	81
В₂O₃	13
Al₂О₃	2
Na₂O	4

(патент США №4511663)

Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.

Недостатками керамического композиционного материала-прототипа являются низкая жаростойкость и термостойкость при температурах до 800°С, повышенное значение коэффициента термического расширения.

Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости и термостойкости материала при рабочих температурах до 800°С при снижении коэффициента термического расширения.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, Al₂О₃ и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит SrO, BaO, TiO₂ и Al₂TiO₅, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

Al₂O₃	21,0-21,9
SrO	4,7-19,4
BaO	1,0-14,0
TiO₂	11,7-12,2
Al₂TiO₅	1,8-6,5
SiO₂	остальное

При этом преимущественное соотношение стекломатрицы и углеродного волокнистого наполнителя составляет, мас.%

Стекломатрица	60,5-73,5
Углеродный волокнистый наполнитель	26,5-39,5

Предлагаемый керамический композиционный материал предназначен для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой и элементов резьбового крепежа, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.

Установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу оксида стронция, оксида бария, диоксида титана и титаната алюминия, при заявленном содержании и соотношении компонентов, позволит повысить жаростойкость и термостойкость, а также снизить температурный коэффициент линейного расширения керамического композиционного материала, работающего при температурах до 800°С.

Примеры осуществления

Для получения керамического композиционного материала были приготовлены 5 композиций, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.

Пример 1

Керамический композиционный материал (табл.1, состав 1) получали по методу, совмещающему «золь-гель» технологию приготовления алюмосиликатного стекла и шликерную технологию. Тонкодисперсный порошок титаната алюминия вводили на стадии приготовления золя. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродную ленту «Кулон».

Суспензию наносили на ленту «Кулон» с одновременной прокаткой резиновым валиком и последующей выкладкой на формовочную плоскость. Полученные полуфабрикаты сушили при температуре (18-100)°С в течение 48-4 ч. Далее заготовки выкладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре до 1400°С.

Примеры 2-5 получения керамических композиционных материалов осуществляли аналогично примеру 1.

В таблице 2 представлены свойства полученных образцов предлагаемого керамического композиционного материала в сравнении с материалом-прототипом.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что предложенный керамический композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 10-15 раз, термостойкость в 3-5 раза, значительно снизить термический коэффициент линейного расширения при рабочих температурах до 800°С.

Применение предлагаемого керамического композиционного материала для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой и элементов резьбового крепежа на основе ленточных и жгутовых препрегов обеспечит увеличение ресурса и надежности этих деталей.

Предложенный керамический композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.

Таблица 1
Компоненты керамического композиционного материала	Содержание компонентов в образцах, мас.%
1	2	3	4	5 (прототип)
Углеродный волокнистый материал	Лента «Кулон»	26,5	-	-	-	50
Стекломатрица	Компоненты матрицы	73,5	70	65	60,5	50
	Al₂О₃	21,9	21,6	21,4	21,0	2
	SrO	19,4	14,4	9,5	4,7	-
	ВаО	1	4,8	9,5	14,0	-
	TiO₂	12,2	12,0	11,9	11,7	-
	Al₂TiO₅	1,8	3,9	4,8	6,5	-
	SiO₂	остальное	остальное	остальное	остальное	81
	В₂О₃	-	-	-	-	13
Na₂O	-	-	-	-	4

Таблица 2
Свойства композиционного материала	1	2	3	4	5 (прототип)
Температура, °С	800	800	800	800	800
Время, ч	75	75	75	75	26
Убыль массы образцов после испытаний, мас.%	2,7	2,9	2,9	2,8	35
ТКЛР (×10⁶1/град)	-3,8	-4,1	-4,4	-4,6	0,8-1,5
Термостойкость (режим 20↔800°С)	Более 1000 циклов	Более 1000 циклов	Более 1000 циклов	Более 1000 циклов	300 циклов
Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов)	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют

1. Керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, Al₂O₃ и углеродный волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит SrO, BaO, TiO₂ и Al₂TiO₅ при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

Al₂O₃	21,0-21,9
SrO	4,7-19,4
BaO	1,0-14,0
TiO₂	11,7-12,2
Al₂TiO₅	1,8-6,5
SiO₂	остальное

2. Керамический композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет следующий состав, мас.%:

Стекломатрица	60,5-73,5
углеродный волокнистый наполнитель	26,5-39,5

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных углеродными волокнистыми наполнителями, используемым для изготовления теплонагруженных деталей, например бандажных колец, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.

Способ получения композиционного материала // 2304567

Изобретение относится к области получения неорганических волокнистых теплоизоляционных материалов конструкционного назначения для изделий гиперзвуковых летательных аппаратов, авиационно-космической и машиностроительной промышленности.

Связующее для теплоизоляционных волокнистых изделий // 2304565

Изобретение относится к области производства стройматериалов, в частности теплоизоляционных изделий на основе огнеупорных волокон. .

Способ получения композиционного теплоизоляционного материала и материал, изготовленный этим способом // 2300509

Теплоизоляционное изделие // 2298538

Изобретение относится к производству стройматериалов, содержащих керамические волокна и предназначенных для изготовления теплоизоляционных изделий. .

Теплозащитная система с переменной плотностью волокон // 2293718

Изобретение относится к теплозащитным абляционным материалам для аэрокосмической промышленности и используется для защиты поверхности, подвергаемой воздействию интенсивной тепловой нагрузки.

Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой // 2288903

Изобретение относится к способам изготовления изделий с композитной волокнистой структурой материала, в частности к изготовлению фильтрующего керамического элемента для очистки высокотемпературного газа.

Способ получения полых нагревателей сопротивления из углеродкарбидокремниевого композиционного материала // 2286317

Изобретение относится к области получения профильных изделий на основе углерода, кремния и карбида кремния, которые могут использоваться в качестве нагревателей, работающих в окислительных газовых потоках при высоких температурах.

Огнеупорная торкрет-масса // 2282603

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, преимущественно к огнеупорным торкрет-массам для расходуемой футеровки промежуточного ковша МНЛЗ. .

Композиционный материал и изделие, выполненное из него // 2273617

Изобретение относится к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями, используемым для изготовления кольцевых элементов, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.

Высокоэффективный фотолюминесцентный материал и способ его производства // 2325422

Композиционный материал и изделие, выполненное из него // 2310628

Композиция непрозрачного кремнезема // 2213052

Изобретение относится к композициям кремнезема, в частности к композициям непрозрачного кремнезема. .

Композиционный материал // 2193539

Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями.

Стеклокремнезит // 2151112

Изобретение относится к строительным материалам на основе стекла и может быть использовано для изготовления облицовочных плит с высокими физико-механическими свойствами для защиты строительных конструкций и технологического оборудования от воды и радиации.

Стеклокремнезит // 2097344

Стеклокремнезит // 1806107

Шихта на основе стеклянного порошка для изготовления пористых фильтров // 1627318

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам шихты на основе стеклянного порошка для изготовления пористых фильтров, используемых для очистки жидкостей и горячих газов при температурах до 620°С.

Солнцезащитное ограждение // 1265162

Изобретение относится к солнцезадитным ограждающим конструкциям и может быть использовано в строительстве. .

Армированный стекломатериал // 331533

Керамический композиционный материал // 2359927

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокерамических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных узлов и деталей перспективной авиационно-космической техники, наземных, энергетических, нефте-, газоперекачивающих, транспортных систем и новых областей общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1300°С