Композиционный материал и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2352543:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей авиационно-космической техники, в наземных энергетических, нефтегазоперекачивающих, транспортных системах и новых областях общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1550°С. Предложенный композиционный материал содержит углеродные волокна и матрицу, включающую следующие компоненты, мас.%: Si 20-35, С 25-40, SiB4 0,1-1,5, SiO2 1-5, SiC остальное. Технический результат изобретения - увеличение жаростойкости изделий, позволяющее использовать их при рабочей температуре 1550°С в течение длительного времени 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей авиационно-космической техники, в наземных энергетических, нефтегазоперекачивающих, транспортных системах и новых областях общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1550°С.
Известен композиционный материал, который состоит из армирующего неорганического волокна и матрицы, включающей 40-95 мас.% фазы SiC и 5-60 мас.% оксидной фазы. Оксидная фаза может представлять собой ZrSiO4 или стеклокерамическую фазу составов ВаО-MgO-Al2O3-SiO2 или SrO-Al2О3-SiO2. При этом средний элементный состав фазы SiC составляет, мас.%: 30-80 Si, 15-69 С, 0,005-20 О или 30-80 Si, 10-65 С, 0,005-25 О (патент США №6331496).
Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры 1550°С в течение длительного времени.
Известен композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, состоящую из карбида кремния, бора и пироуглерода, распределенного в ее объеме и на поверхности материала при следующем соотношении компонентов в матрице, мас.%:
SiC | 10-50 |
В | 0,5-1,2 |
С (пироуглерод) | остальное |
(патент РФ №2203218).
Композиционный материал может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах и на воздухе при температуре 900°С в течение 1 часа.
Недостатком материала и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1500°С.
Известен композиционный материал, армированный волокнами SiC с керамической матрицей, содержащей SiC в виде кристаллов в количестве до 70 мас.% и гранулы SiC из синтетического композиционного нанопорошка (заявка Франции №2849022).
Недостатком известного композиционного материала и изделий из него является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры выше 1200°С за счет образования защитной аморфной пленки SiO2 и пузырьков газообразных продуктов окисления, приводящих с течением времени к потере массы.
Для улучшения свойств композиционных материалов SiCвол/SiC получены интерфазные защитные покрытия на основе борсодержащих соединений нитрида бора BN или В4С на непрерывных волокнах SiC, которые служат не только для отклонения матричных трещин, но и для повышения окислительной стойкости, препятствуя деградации волокон.
Регулируемым осаждением слоев SiC, BxC, Si-B-C и Si-B-N получены многослойные композиционные материалы. Слоистые материалы на основе композиционных материалов SiC-SiC с защитными интерфазными борсодержащими покрытиями В4С, BN, полученными в тройной системе Si-B-C, Si-B-N, обладают способностью самозалечивания матрицы. Устойчивость к окислению композиционного материала типа SiCвол/BN/SiC с интерфазным покрытием BN при умеренных температурах улучшается по сравнению с композиционным материалом типа SiCвол/С/SiC, не содержащим соединений бора. Однако эти композиционные материалы не сохраняют устойчивость к окислению при температурах выше 1500°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si | 20-35 |
С | 25-40 |
SiB4 | 2-6 |
SiC | остальное |
и изделие, выполненное из него (патент РФ №2297992).
Недостатком композиционного материала-прототипа и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при рабочей температуре 1550°С.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала и изделий, выполненных из него, при рабочей температуре 1550°С в течение длительного времени.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при этом матрица дополнительно содержит диоксид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si | 20-35 |
С | 25-40 |
SiB4 | 0,1-1,5 |
SiO2 | 1-5 |
SiC | остальное |
и изделие, выполненное из него.
Авторами установлено, что введение в матрицу диоксида кремния при заявленных соотношениях и содержаниях компонентов приводит к образованию тугоплавкого высококремнеземного стекла при воздействии кислорода воздуха, обеспечивающего герметизацию возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., и, тем самым, повышает жаростойкость композиционного материала и изделий из него при воздействии рабочей температуры 1550°С в течение длительного времени.
Примеры осуществления
Для получения композиционного материала были приготовлены композиции предлагаемого материала (1-3) и материала-прототипа (4), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.
Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB4) и углеродными волокнами в полиэтиленовых барабанах. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.
Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температурах 120-150°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1500°С.
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем диоксида кремния SiO2 с промежуточными сушками на воздухе.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала и изделий, выполненных из него, выше по сравнению с материалом-прототипом, который теряет при обработке часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1550°С в течение 100 часов (см. табл.2).
Привес массы образцов (1,8-4,3 мас.%), связанный с образованием высококремнеземной стеклосвязки при нагревах на воздухе при температуре 1550°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала в течение длительного времени (до 500 часов), предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.
Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала в тяжелонагруженных узлах и деталях авиационно-космической техники, наземных энергетических и нефтегазоперекачивающих систем позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1550°С в течение длительного времени и, соответственно, повысить надежность и ресурс изделий.
Таблица 1 | ||||
Наименование компонентов | Состав по примерам, мас.% | |||
1 | 2 | 3 | 4 прототип | |
Матрица: Si С SiB4 SiO2 SiC |
27 25 1,5 5 ост. |
35 32 0,8 3 ост. |
20 40 0,1 1 ост. |
28 32 4 - ост. |
Таблица 2 | |||||
Параметры испытаний образцов на жаростойкость | Изменение массы образцов после испытаний на жаростойкость, мас.% | ||||
Температура, °С | Время, ч | 1 | 2 | 3 | 4 прототип |
1550 | 100 | 1,8 | 3,1 | 2,4 | - 5,8 разрушение образца |
200 | 2,7 | 3,6 | 2,8 | разрушение образца | |
300 | 3,1 | 3,9 | 3,3 | -«- | |
400 | 3,3 | 4,1 | 3,6 | -«- | |
500 | 3,4 | 4,3 | 3,8 | -«- |
1. Композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит диоксид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si | 20-35 |
С | 25-40 |
SiB4 | 0,1-1,5 |
SiO2 | 1-5 |
SiC | остальное |
2. Изделие из композиционного материала, отличающееся тем, что оно выполнено из материала по п.1.