Способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала



Способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала
Способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала
Способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала

 


Владельцы патента RU 2568673:

Открытое Акционерное Общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" (RU)

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерод-керамической матрицы и изделий из них, теплозащитного, конструкционного назначений, предназначенных для эксплуатации в условиях комплексных статических и динамических нагрузок при температурах до 2000°С в окислительной и абразивосодержащих средах (авиакосмическая техника и металлургия). Способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала включает формирование каркаса из жаростойких волокон, частичное уплотнение его углерод-керамическим матричным материалом с использованием соответствующих прекурсоров углерода и карбида и/или нитрида кремния и силицирование полученной заготовки. На стадии, непосредственно предшествующей силицированию, в порах материала заготовки формируют наноструктурный углерод в виде частиц, нитей или трубок, а силицирование осуществляют паро-жидкофазным методом с введением кремния в поры материала путем капиллярной конденсации его паров при температуре, превышающей температуру силицируемой заготовки. Технический результат - повышение работоспособности изделий в условиях нагрева до высоких температур и механического нагружения в окислительной среде. 2 з.п. ф-лы, 1 табл. 10 пр.

 

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерод-керамической матрицы и изделий из них, теплозащитного, конструкционного назначений, предназначенных для эксплуатации в условиях комплексных статических и динамических нагрузок при температурах до 2000°C в окислительной и абразивосодержащих средах (авиакосмическая техника и металлургия).

Известен способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала, включающий многократную пропитку каркаса, а затем пористой заготовки, керамообразующим полимером, чередующуюся с отверждением полимера и высокотемпературной обработкой заготовки [A.M. Цирлин. Непрерывные неорганические волокна для композиционных материалов. М, 1992].

Недостатком способа является длительный цикл изготовления изделий и высокая их стоимость.

Наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала, включающий формирование каркаса из жаростойких волокон, частичное уплотнение его углеродкерамическим матричным материалом с использованием соответствующих прекурсоров углерода и карбида и/или нитрида кремния, и силицирование полученной заготовки [пат. РФ №2351572, 2009 г. ].

В соответствии с указанным способом силицирование осуществляют жидкофазным методом.

Способ позволяет уменьшить длительность и снизить затраты на изготовление изделий.

Недостатком способа является недостаточная работоспособность изделий в условиях нагрева до высоких температур (1900°C), механического нагружения в окислительной среде, что обусловлено как недостаточным содержанием в материале матрицы из SiC и/или Si3N4, так и сравнительно высоким содержанием в нем свободного кремния и недостаточно высокой его прочностью.

Задачей изобретения является повышение работоспособности изделий в условиях нагрева до высоких температур (1900°C), механического нагружения в окислительной среде.

Указанная задача решается за счет того, что в способе изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала, включающем формирование каркаса из жаростойких волокон, частичное уплотнение его углерод-керамическим матричным материалом с использованием соответствующих прекурсоров углерода и карбида и/или нитрида кремния и силицирование полученной заготовки, в соответствии с заявленным техническим решением на стадии, непосредственно предшествующей силицированию, в порах материала заготовки формируют наноструктурный углерод в виде частиц, нитей или трубок, а силицирование осуществляют паро-жидкофазным методом с введением кремния в поры материала путем капиллярной конденсации его паров при температуре, превышающей температуру силицируемой заготовки.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения способа формирование в порах материала заготовки наноструктурного углерода осуществляют путем пропитки ее суспензией наночастиц углерода в низковязкой жидкости.

В другом из вариантов выполнения способа формирование в порах материала заготовки наноструктурного углерода осуществляют путем зауглероживания пор каталитическим углеродом из газовой фазы.

Формирование непосредственно перед силицированием в порах материала заготовки наноструктурного углерода в виде частиц, нитей или трубок позволяет перевести относительно крупные поры в разряд ультратонких и открытых и, тем самым доступных при определенных условиях кремнию, но при этом ограничить количество входящего в каждую из них на стадии силицирования, а также создает предпосылки для получения в процессе силицирования наноструктурированной карбидокремниевой матрицы с незначительным содержанием в ней свободного кремния.

Осуществление (в предпочтительном варианте выполнения способа) операции формирования в порах материала заготовки наноструктурного углерода путем пропитки его суспензией наночастиц углерода в низковязкой жидкости позволяет сформировать в крупных порах ультратонкие поры, причем преимущественно открытые.

Осуществление (в предпочтительном варианте выполнения способа) операции формирования в порах материала заготовки наноструктурного углерода путем зауглероживания пор каталитическим углеродом из газовой фазы позволяет наиболее равномерно заполнить поры по толщине заготовки.

Осуществление силицирования паро-жидкофазным методом с введением кремния в поры материала путем капиллярной конденсации его паров при температуре, превышающей температуру силицируемой заготовки позволяет ввести кремний в сколь угодно мелкие, в том числе ультратонкие, поры, а также, как установлено нами экспериментальным путем, в поры, образованные и/или заполненные чрезвычайно активным к кремнию наноуглеродом, и обеспечить тем самым практически полную карбидизацию наночастиц углерода с преобразованием их в наноразмерную карбидокремниевую матрицу со сравнительно низким содержанием в ней свободного кремния.

К тому же при капиллярной конденсации паров кремний в ультратонкие поры материала можно ввести при сравнительно низкой температуре, и при ней же - ввиду малого размера частиц углерода - перевести последние в карбид кремния, ограничив тем самым рост кристаллитов. Кроме того, благодаря низкой температуре и высокой химической активности наноуглерода к кремнию, существенно ограничивается доступ кремния к армирующим волокнам, что позволяет существенно снизить деградацию их свойств.

У объекта изобретения в новой совокупности существенных признаков возникает новое свойство: способность получить композиционный материал (КМ) с низкой степенью деградации в нем свойств армирующих волокон, несмотря на высокое содержание в нем керамической матрицы; при этом карбидокремниевая матрица (продукт процесса силицирования наноуглерода, а также продукт термолиза поликарбосилана) является наноструктурированной при сравнительно низком содержании в ней свободного кремния, следствием чего является существенное повышение прочностных свойств и окислительной стойкости материала.

Новое свойство позволяет повысить работоспособность изделий из керамоматричного композиционного материала при тепловом и механическом нагружении в окислительной среде.

Способ осуществляют следующим образом.

Одним из известных способов формируют каркас из жаростойких волокон, таких как углеродные и карбидокремниевые. Затем каркас частично уплотняют углерод-керамическим матричным материалом с использованием соответствующих прекурсоров углерода и карбида и/или нитрида кремния. Затем на стадии, непосредственно предшествующей силицированию, в порах материала заготовки формируют наноструктурный углерод в виде частиц, нитей или трубок.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения способа формирование в порах материала заготовки наноструктурного углерода осуществляют путем пропитки его суспензией наночастиц углерода в низковязкой жидкости.

В другом предпочтительном варианте выполнения способа формирование в порах материала заготовки наноструктурного углерода осуществляют путем зауглероживания пор каталитическим углеродом из газовой фазы.

После этого проводят силицирование полученной заготовки. Силицирование осуществляют паро-жидкофазным методом путем капиллярной конденсации его паров при температуре паров кремния, превышающей температуру силицируемой заготовки.

Ниже приведены примеры конкретного выполнения способа при изготовлении пластин размерами 120×150×3-5 мм.

Пример 1

Из углеродной ткани марки УТ-900 сформировали каркас ткане-прошивной структуры. Затем произвели частичное уплотнение его углерод-керамическим матричным материалом с использованием в качестве прекурсора нитрида (преимущественно) и карбида кремния (в малом количестве) полидиметилсилазана в толуоле вязкостью 70 сек. После этого сформировали пластиковую заготовку при конечной температуре 300°С. Затем заготовку термообработали при 1300°С. Полученную заготовку пропитали раствором коксообразующего полимера, а именно: раствором жидкого бакелита марки БЖ-3 в изопропиловом спирте, вязкостью 30 сек с добавкой в него катализатора холодного отверждения. После отверждения полимера провели карбонизацию заготовки в среде азота при конечной температуре 850°С. Затем в порах материала заготовки сформировали углерод в виде трубок. Для этого материал заготовки пропитали раствором катализатора, в качестве которого использовали Ni(NО3)2 с последующим нагревом заготовки до 70°С для осаждения в порах материала частиц никеля и обработкой в среде метана при 800°С в течение 12 часов.

После этого заготовку силицировали паро-жидкофазным методом при давлении в реакторе 36 мм рт. ст. с введением кремния в поры материала путем капиллярной конденсации его паров. Для этого заготовку и тигли с кремнием установили в квазизамкнутом объеме реторты. На стадии нагрева с 1300 до 1500°C на тиглях с кремнием поддерживали температуру, превышающую температуру заготовки, вследствие чего возникали условия для капиллярной конденсации паров кремния, т.е. конденсации непосредственно в порах материала заготовки. Дальнейший нагрев до 1550°C и изотермическую выдержку при 1550-1600°C в течение 3-х часов провели в отсутствие перепада температур между температурой заготовки и температурой тиглей с кремнием.

Основные свойства полученного при этом КМ приведены в таблице.

Пример 2

Пластину из КМ изготавливали аналогично примеру 1 с тем существенным отличием, что вместо пропитки коксообразующим полимером провели частичное уплотнение заготовки пироуглеродом вакуумным изотермическим методом по режиму: температура 940-950°С, давление в реакторе - 27 мм рт.ст., время уплотнения 96 часов.

Основные свойства полученного при этом КМ приведены в таблице.

Пример 3

Пластину из KM изготавливали аналогично примеру 1 с тем существенным отличием, что заготовку после проведения высокотемпературной обработки при 1300°С (углепластика на основе полидиметилсилазанового связующего) пропитали суспензией наночастиц углерода в воде с добавкой в нее поверхностно-активного вещества, существенно уменьшающего агрегацию частиц наноуглерода.

Для повышения равномерности заполнения пор частицами наноуглерода по толщине заготовки пропитку осуществляли под вакуумом с наложением на суспензию ультразвука.

Основные свойства материала приведены в таблице.

Пример 4

Пластину из КМ изготавливали аналогично примеру 1 с тем существенным отличием, что после термообработки заготовки при 1300°С ее повторно пропитывали раствором полидиметилсилазана в толуоле, но уже вязкостью 30 сек (вместо коксообразующего полимера) с последующим его отверждением при 300°С и высокотемпературной обработкой при 1300°С.

Основные свойства материала приведены в таблице.

Пример 5

Пластину из КМ изготавливали аналогично примеру 1 с тем существенным отличием, что каркас пропитали раствором полидиметилкарбосилана (а не полидиметилсилазана) в толуоле вязкостью 70 сек.

Основные свойства материала приведены в таблице.

Пример 6

Пластину из КМ изготавливали аналогично примеру 1 с тем существенным отличием, что каркас сформировали на основе ткани из карбидокремниевых волокон марки «Никалон».

Основные свойства материала приведены в таблице.

Остальные примеры (7-9), а также выше рассмотренные (1-6), но в более кратком изложении, приведены в таблице.

Здесь же приведен пример 10 изготовления изделий из керамоматричного КМ в соответствии со способом-прототипом.

На основе анализа таблицы можно сделать следующие выводы:

1. Изготовление изделий в соответствии с предлагаемым способом (примеры 1-9) позволяет в сравнении со способом-прототипом (пример 10) повысить содержание керамической матрицы и существенно снизить содержание свободного кремния в КМ, а также повысить его прочностные характеристики.

2. Изготовление изделий в соответствии с предлагаемым способом, но не при оптимальном способе формирования в порах наноразмерного углерода (пример 8), приводит к неравномерному по толщине изделия распределению сперва наноуглерода, а затем и получаемого из него нанокарбида кремния, а также к некоторому снижению прочностных характеристик (сравни пример 8 с примерами 1,2-7,9).

1. Способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала, включающий формирование каркаса из жаростойких волокон, частичное уплотнение его углерод-керамическим матричным материалом с использованием соответствующих прекурсоров углерода и карбида и/или нитрида кремния и силицирование полученной заготовки, отличающийся тем, что на стадии, непосредственно предшествующей силицированию, в порах материала заготовки формируют наноструктурный углерод в виде частиц, нитей или трубок, а силицирование осуществляют паро-жидкофазным методом с введением кремния в поры материала путем капиллярной конденсации его паров при температуре, превышающей температуру силицируемой заготовки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование в порах материала заготовки наноструктурного углерода осуществляют путем пропитки ее суспензией наночастиц углерода в низковязкой жидкости.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование в порах материала заготовки наноструктурного углерода осуществляют путем зауглероживания пор каталитическим углеродом из газовой фазы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области углерод-карбидокремниевых композиционных материалов (УККМ), предназначенных для работы в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности под избыточным давлением.

Изобретение относится к области композиционных материалов с углерод-карбидокремниевой матрицей, предназначенных для работы в условиях высокого теплового нагружения и одностороннего воздействия окислительной среды с высоким окислительным потенциалом.

Изобретение может быть использовано при получении конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, для химической, нефтехимической, химико-металлургической промышленности и авиатехники.

Изобретение может быть использовано при получении конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, для химической, нефтехимической, химико-металлургической промышленности и авиатехники.

Группа изобретений относится к области керамических композиционных материалов, армированных дисперсными частицами тугоплавких соединений, а также теплонагруженных изделий из данных материалов, и может быть использована в энергетическом машиностроении и аэрокосмической технике, в частности для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД).

Изобретение относится к конструкциям, работающим в условиях теплового и механического нагружения в окислительной среде, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерода и карбида кремния. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности работы изделия в условиях высокотемпературного теплового и механического нагружения в окислительной среде.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерода и карбида кремния. Технический результат изобретения заключается в повышении работоспособности изделий в условиях нагрева до 1900°С и механической нагрузки в окислительной среде.

Изобретения относятся к области композиционных материалов с карбидкремниевой матрицей, предназначенных для работы под избыточным давлением в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и могут быть использованы в химической, нефтяной и металлургической промышленности, а также в авиатехнике.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов и изделий теплозащитного и конструкционного назначений для использования в авиакосмической технике и металлургии в условиях комплексных статических и динамических нагрузок при температурах до 2000°С в окислительной и абразивосодержащих средах.

Изобретение относится к области углерод-карбидокремниевых композиционных материалов (УККМ), предназначенных для работы в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности под избыточным давлением.

Изобретение относится к области композиционных материалов с углерод-карбидокремниевой матрицей, предназначенных для работы в условиях высокого теплового нагружения и одностороннего воздействия окислительной среды с высоким окислительным потенциалом.

Изобретение может быть использовано при получении конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, для химической, нефтехимической, химико-металлургической промышленности и авиатехники.

Изобретение может быть использовано при получении конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, для химической, нефтехимической, химико-металлургической промышленности и авиатехники.

Изобретение относится к производству изделий из углеродсодержащих материалов и предназначено для защиты от окисления изделий, работающих к условиях окислительной среды при высоких температурах.
Изобретение относится к области получения тонкостенных трубчатых элементов на основе карбида кремния. Технический результат изобретения заключается в повышении термо-, радиационно- и химической стойкости изделий.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерода и карбида кремния. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности работы изделия в условиях высокотемпературного теплового и механического нагружения в окислительной среде.

Изобретение относится к области углерод-карбидокремниевых композиционных материалов (УККМ), работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности под избыточным давлением.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерода и карбида кремния. Технический результат изобретения заключается в повышении работоспособности изделий в условиях нагрева до 1900°С и механической нагрузки в окислительной среде.

Изобретения относятся к области композиционных материалов с карбидкремниевой матрицей, предназначенных для работы под избыточным давлением в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и могут быть использованы в химической, нефтяной и металлургической промышленности, а также в авиатехнике.

Изобретение относится к области углерод-карбидокремниевых композиционных материалов (УККМ), предназначенных для работы в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности под избыточным давлением.
Наверх