Композиция для изготовления углерод-карбидокремниевого материала
Владельцы патента RU 2375333:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" (RU)
Изобретение относится к области производства объемносилицированных изделий из углерод-карбидокремниевого материала. Силицирующая композиция содержит следующие компоненты в массовых частях: бакелит жидкий БЖ-3 - 100, изопропиловый спирт - 67-100, тетраэтоксисилан - 53-160, вода - 11-32. Технический результат изобретения - повышение однородности свойств углерод-карбидокремниевого материала и упрощение технологии. 1 табл.
Изобретение относится к области производства объемносилицированных изделий.
Известна композиция для нанесения на положку из углеродистого композиционного материала для последующего образования на ней карбида кремния, содержащая алкоксид кремния, воду, органический растворитель и углеродсодержащее вещество - патент RU 2070163 С1, кл. С01В 31/36, опубл. 10.12.1996 г.
По своим признакам и достигаемому результату эта композиция наиболее близка к заявляемой и принята за прототип.
В данной композиции в качестве алкоксида кремния используют, например, триалкоксисилан или тетраалкоксисилан в количестве 0,05-0,3 моль на 1 моль воды, в качестве органического растворителя - ацетон либо смесь ацетона с этиловым или пропиловым спиртом в количестве 0,3-1 моль на 1 моль воды, в качестве углеродсодержащего вещества - полиакрилонитрильную, эпоксидную, фенольную или фурановую смолу в количестве 1-3 моль углерода на 1 моль алкоксида кремния. Композицию гидролизуют в присутствии кислотного катализатора, в качестве которого используют соляную кислоту и, в виде геля, кистью наносят на углеродистую положку, удаляют из геля летучие вещества и термообрабатывают при температуре не менее 1300°С.
Недостаток композиции по прототипу заключается в том, что она не обеспечивает равномерности свойств углерод-карбидокремниевого материала по всему его объему, т.е. решения нашей задачи.
Неравномерность свойств углерод-карбидокремниевого материала объясняется невозможностью пропитки композицией в виде геля всего объема подложки при нанесении на ее поверхность геля кистью.
Задача изобретения заключается в обеспечении однородности (изотропности) свойств углерод-карбидокремниевого материала в изделии.
Эта задача решается усовершенствованием композиции для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, включающей в себя бакелит жидкий марки БЖ-3, растворитель, вещество-реагент и инициатор разложения вещества-реагента.
Усовершенствование заключается в том, что в качестве растворителя композиции используют изопропиловый спирт, вещества-реагента - тетраэтоксисилан, инициатора разложения тетраэтоксисилана - изопропиловый спирт и воду при соотношении компонентов:
| Бакелит жидкий марки БЖ-3 | 100 |
| Изопропиловый спирт | 67-100 |
| Тетраэтоксисилан | 53-160 |
| Вода | 11-32 |
Использование в композиции жидкого бакелита, изопропилового спирта, тетраэтоксисилана и инициатора разложения тетраэтоксисилана - изопропилового спирта и воды, благодаря ее высокой текучести, позволяет обеспечить равномерное распределение композиции в составе композиционного материала.
При этом использование жидкого бакелита марки БЖ-3 позволяет осуществить соединение всех компонентов в единый композиционный материал, обеспечить высокую пропитывающую способность композиции ввиду самой низкой вязкости среди существующих бакелитов, а также обеспечить углеродом процесс карбидизации без вовлечения в него углерода волокнистого материала, а изопропилового спирта - формирование гомогенного раствора связующего, обеспечивающего равномерность пропитки тканевых углеродных заготовок. Наличие в составе композиции тетраэтоксисилана и воды позволяет обеспечить выделение из композиции двуокиси кремния, которая, в дальнейшем, обеспечивает карбидизацию углеродного материала, и заложить возможность дальнейшей карбидизации композиционного материала уже на стадии формирования углепластика, что значительно упрощает технологию изготовления углерод-карбидокремниевого материала.
Выход компонентов за обозначенные пределы ведет к негарантированному качеству композиционного материала.
При приготовлении предлагаемой композиции сначала вводят бакелит жидкий марки БЖ-3, затем растворитель - изопропиловый спирт, далее - тетраэтоксисилан и, в последнюю очередь, в композицию вводят воду и тщательно перемешивают.
При этом первые 1,5-2,0 часа композиция представляет собой прозрачный гомогенный жидкотекучий раствор, которым и производят пропитку тканевых углеродных заготовок, обеспечивая при этом практически абсолютную равномерность распределения композиции в тканевой углеродной заготовке, чем достигается равномерность (изотропность) свойств будущего углерод-карбидокремниевого материала. По прошествии 1,5-2,0 часов в композиции происходит выделение двуокиси кремния в соответствии со следующими химическими реакциями:
SiO(OC2H5)4+4H2O→Si(OH)4+4C2H5OH
Si(OH)4→SiO2+2H2O
чем достигается равномерное распределение связующего и двуокиси кремния в объеме углеволокнистого наполнителя.
Готовят композицию для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, вводят компоненты в последовательности, упомянутой выше. В течение 90-100 минут композиция после перемешивания компонентов сохраняет прозрачность и однородность, в этих условиях производят пропитку тканевых заготовок. Введение катализатора гидролиза не требуется, так как он значительно ускоряет процесс гидролиза и тем самым сокращает время, необходимое для пропитки.
Затем композиция начинает мутнеть, т.е. начинается выделение двуокиси кремния и осаждение его на углеродных волокнах (что обеспечивает упрощение технологического процесса). При этом средний фракционный состав выделяющейся двуокиси кремния - 0,1 мкм (чем обеспечиваются большие равномерность распределения и однородность свойств углерод-карбидокремниевого материала).
Все приведенные данные подтверждены результатами испытаний опытных образцов на основе углеродного наполнителя в виде пластины (200×150×3 мм), сшитых из 6 слоев ткани УТ-900П (см. таблицу).
Для характеристики равномерности распределения карбида кремния в материале, структуры материала и равномерности его свойств из упомянутых пластин (200×150×3 мм) вырезали квадратные образцы 30×30 мм равномерно по диагоналям пластин в количестве 10 шт., в каждой из которых определяли величину открытой пористости, плотности и содержания карбида кремния весовым методом путем выжигания углеродной составляющей и определения массовой доли остатка карбида кремния. Равномерность свойств материала характеризовали величиной среднеквадратичного отклонения (σ) определения пористости, плотности и содержания карбида кремния. Результаты приведены в таблице.
Анализ данных таблицы показывает, что при значениях содержания компонентов композиции в пределах интервалов, приведенных в формуле изобретения, содержание карбида кремния имеет минимальное среднеквадратичное отклонение, т.е. величины содержания карбида кремния в различных зонах образца углерод-карбидокремниевого композиционного материала очень мало (в пределах 3-4%) отличаются от среднего значения, что свидетельствует о высокой степени равномерности распределения карбида кремния в объеме образца. При этом композиционный материал становится более плотным за счет мелкодисперсности карбида кремния и менее пористым, сохраняя значительную степень равномерности свойств.
Композиция для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, благодаря наличию в ее составе связующего и введенных в него силицирующих агентов, обеспечивает мелкодисперсность, повышенную равномерность распределения карбида кремния в получаемом углерод-карбидокремниевом материале и характеризуется по сравнению с прототипом повышенной равномерностью его свойств и упрощением технологии изготовления углерод-карбидокремниевого материала с гарантированными свойствами.
| Таблица | ||||||||||
| № образца | Содержание компонентов в пропиточной композиции, мас. ч. | Содержание карбида кремния (SiC), % | σSiC | Плотность, (ρ), г/см3 | σρ | Открытая пористость (П), % | σП | |||
| Бакелит жидкий БЖ-3 | Изопропиовый спирт | Тетраэтоксисилан | Вода | |||||||
| 1 | 100 | 55 | 45 | 8 | 2,4 | 0,5 | 1,45 | 0,16 | 11,0 | 1,2 |
| 2 | 100 | 70 | 55 | 12 | 3,4 | 0,1 | 1,54 | 0,04 | 4,2 | 0,2 |
| 3 | 100 | 80 | 100 | 20 | 6,8 | 0,2 | 1,58 | 0,04 | 3,4 | 0,2 |
| 4 | 100 | 90 | 150 | 30 | 10,2 | 0,4 | 1,56 | 0,05 | 2,8 | 0,1 |
| 5 | 100 | 120 | 180 | 40 | 12,0 | 3,8 | 1,42 | 0,12 | 9,3 | 0,8 |
Композиция для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, содержащая бакелит жидкий БЖ-3, растворитель, вещество-реагент и инициатор разложения вещества-реагента, отличающаяся тем, что она содержит в качестве растворителя - изопропиловый спирт, вещества-реагента - тетраэтоксисилан и инициатора разложения последнего - изопропиловый спирт и воду при соотношениях компонентов, мас.ч.:
| Бакелит жидкий БЖ-3 | 100 |
| Изопропиловый спирт | 67-100 |
| Тетраэтоксисилан | 53-160 |
| Вода | 11-32 |
