Керамический композиционный материал
Владельцы патента RU 2388727:
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 рабочих аппаратов газовых турбин, газоходов энергетических агрегатов и др., работающих при температуре 1350°С. Предложен керамический композиционный материал, включающий матрицу и углеродные волокна, при этом матрица имеет следующий химический состав, мас.%: Si 20-30, С 25-35, SiB4 0,1-1,5, SiO2 6-9, В2О3 3-9, SiC - остальное. Технический результат изобретения - увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочей температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов) и повышение надежности и ресурса изделий. 2 табл.
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей рабочих аппаратов газовых турбин, газоходов энергетических агрегатов и др., работающих при температуре 1350°С.
Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:
| Стекломатрица | 60-66 |
| углеродный жгут | 34-40 |
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
| SiO2 | 58,9-69,3 |
| В2O3 | 13,5-15 |
| SiOC | 15,7-27,6 |
(патент РФ №2193539).
Композиционный материал может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.
Недостатком указанного композиционного материала является недостаточно высокая жаростойкость при температурах выше 800°С.
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 композиционного материала и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1350°С на воздухе.
Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:
| Углеродное волокно | 50 |
| Стекломатрица | 50 |
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
| SiO2 | 81 |
| В2O3 | 13 |
| Аl2O3 | 2 |
| Na2O | 4 |
(патент США №4511663).
Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.
Недостатком керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при температуре 1350°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический 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 |
(патент РФ №2297992).
Керамический композиционный материал-прототип может быть использован при изготовлении, например, уплотнительных колец газо- и нефтеперекачивающих станций, втулок, клапанов теплообменников, рекуператоров, работающих в агрессивных средах и на воздухе при 1500°С.
Недостатком прототипа является низкая жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов), что делает данный керамический композиционный материал неработоспособным в условиях эксплуатации.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при этом матрица дополнительно содержит диоксид кремния и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
| Si | 20-30 |
| С | 25-35 |
| SiB4 | 0,1-1,5 |
| SiO2 | 6-9 |
| В2О3 | 3-9 |
| SiC | остальное |
Авторами установлено, что введение в матрицу диоксида кремния и борного ангидрида при заявленных соотношениях и содержании компонентов приводит к образованию при температурах 1350°С при воздействии кислорода воздуха боросиликатной стеклосвязки, обеспечивающей самозалечивание (закупорку) возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., препятствующей диффузии кислорода в объем материала и деградации углеродного волокна, и, тем самым, повышает жаростойкость керамического композиционного материала при воздействии рабочей температуры 1350°С в течение длительного времени.
Примеры осуществления
Для получения керамического композиционного материала были приготовлены композиции предлагаемого материала (1-3) и материала-прототипа (4), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.
Карбид кремния, кремний, углерод и тетраборид кремния - промышленно выпускаемые порошки. Перед смешиванием компонентов их предварительно измельчают до получения частиц размером менее 40 мкм. Поликомпонентный золь в системе SiO2-B2O3 получают путем жидкофазного гидролиза в кислой среде водно-спиртового раствора тетраэтоксисилана (ТЭОС) в присутствии борной кислоты.
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 температуре 120-150°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1400-1450°С.
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем системы SiO2-В2O3 с промежуточными сушками на воздухе.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого керамического композиционного материала выше по сравнению с материалом-прототипом, который теряет при обработке часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1350°С в течение 100 часов.
Привес массы образцов (0,9-3,2 мас.%), связанный с образованием боросиликатной стеклосвязки при нагревах на воздухе при температуре 1350°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов керамического 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 керамического композиционного материала в теплонагруженных узлах и деталях газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1350°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 | 20 | 25 | 30 | 30 |
| С | 35 | 30 | 25 | 30 |
| SiB4 | 1,5 | 0,8 | 0,1 | 4 |
| SiO2 | 9 | 7 | 6 | - |
| В2O3 | 6 | 3 | 9 | - |
| SiC | ост. | ост. | ост. | 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 |
| 1350 | 100 | 1,4 | 0,9 | 1,6 | -2,3 разрушение образца |
| 200 | 2,1 | 1,6 | 2,3 | разрушение образца | |
| 300 | 2,8 | 2,1 | 2,7 | -«- | |
| 400 | 3,1 | 2,6 | 3,2 | -«- | |
| 500 | 2,9 | 2,3 | 2,8 | -«- |
Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит диоксид кремния и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
| Si | 20-30 |
| С | 25-35 |
| SiB4 | 0,1-1,5 |
| SiO2 | 6-9 |
| В2O3 | 3-9 |
| SiC | остальное |
