Композиционный материал с углерод-карбидокремниевой матрицей для герметичных изделий и способ их изготовления



Композиционный материал с углерод-карбидокремниевой матрицей для герметичных изделий и способ их изготовления
Композиционный материал с углерод-карбидокремниевой матрицей для герметичных изделий и способ их изготовления

 


Владельцы патента RU 2573515:

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

Изобретение может быть использовано при изготовлении изделий из композиционных материалов, предназначенных для работы в условиях воздействия внутреннего давления среды с высоким окислительным потенциалом. Композиционный материал содержит каркас из термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон, углерод-карбидокремниевую матрицу и придающий ему герметичность свободный кремний. Содержание карбида кремния в углерод-карбидокремниевой матрице и имеющихся в ней наноразмерных частиц углерода и/или карбида кремния изменяется по толщине материала изделия. Наибольшее содержание приходится на защитные слои, а наименьшее - на несущие слои материала изделия. Размер вкраплений свободного кремния в карбиде кремния в объеме и в поверхностных слоях не превышает соответственно 8-10 мкм и 2-3 мкм. Сначала изготавливают пористую заготовку из углеродсодержащего материала на основе термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон с коэффициентами линейного термического расширения (клтр), близкими к клтр компонентов углерод-карбидокремниевой матрицы, имеющую открытую пористость, уменьшающуюся от защитных слоев к несущим слоям от 20-60 до 6-12%. Затем открытые поры заполняют нанодисперсным углеродом или его смесью с мелкодисперсным углеродом с размером частиц не более 5 мкм. Полученную заготовку силицируют паро-жидкофазным методом путем нагрева, выдержки при температуре завершения карбидизации кремния и охлаждения в его парах. Первоначальный массоперенос кремния в поры производят путем капиллярной конденсации его паров в интервале температур на заготовке 1300-1600ºС, давлении в реакторе не более 27 мм рт. ст. и при температуре паров кремния, превышающей температуру заготовки на 100-10°С. Технический результат: повышение эксплуатационных характеристик изготавливаемых изделий в условиях высокотемпературного воздействия окислительной среды и наличии перепада давления со стороны их внутренней и наружной поверхности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области композиционных материалов с углерод-карбидокремниевой матрицей, предназначенных для работы в условиях воздействия внутреннего давления среды с высоким окислительным потенциалом.

Известен композиционный материал (КМ) с углерод-карбидокремниевой матрицей, выполненный на основе каркаса из термостойких волокон, углерод-карбидокремниевой матрицы и свободного кремния [Исследование структуры углерод-керамических материалов на примере кромки…, Все материалы. Энциклопедический справочник, 2010 г., №6, с. 3-4].

В соответствии с указанным источником информации КМ имеет равномерное по его толщине содержание карбида кремния в углерод-карбидокремниевой матрице. Еще одной его особенностью является сравнительно высокое содержание в нем свободного кремния.

Недостатком материала являются его недостаточно высокие эксплуатационные характеристики, что обусловлено сравнительно высокой плотностью материала, сравнительно высоким содержанием в нем свободного кремния и недостаточно высокой прочностью из-за частичной деградации свойств армирующего наполнителя.

А самое главное, КМ не пригоден для изготовления из него герметичных конструкций, т.к. не предусматривает обеспечение близости клтр его компонентов.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является КМ, выполненный на основе каркаса из термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон, углерод-карбидокремниевой матрицы и придающего ему герметичность свободного кремния, имеющих близкий между собой клтр. Указанный материал усматривается из пат. РФ №2480433, кл. С04В 35/532, 2013 г.

Материал пригоден для изготовления герметичных изделий.

Недостатком материала является сравнительно низкое содержание в нем карбида кремния и сравнительно высокое содержание свободного кремния, находящегося в порах сравнительно большого размера, в результате чего изделие из указанного материала имеет недостаточно высокие эксплуатационные характеристики, такие как материалоемкость (или вес изделия) и недостаточно высокий ресурс работы в условиях высокотемпературного нагружения в окислительной среде.

Известен способ изготовления герметичных изделий из углерод-карбидокремниевого композиционного материала, включающий изготовление несущей основы из указанного материала, формирование на ней шликерного покрытия на основе термостойкого наполнителя и безусадочного невспенивающегося связующего, насыщение поверхности несущей основы и нанесенного шликерного покрытия пирокарбидом кремния; при этом в качестве материала несущей основы, шликерного подслоя и газофазного покрытия берут материалы, компоненты которых имеют близкий друг к другу и газофазному покрытию клтр [пат. РФ №2471707, кл. С01В 31/04, 2012 г.].

Недостатком способа являются низкие эксплуатационные характеристики изготавливаемых этим способом изделий в условиях высокотемпературного воздействия окислительной среды и наличии перепада давления, если УККМ несущей основы имеет сравнительно низкое содержание карбида кремния, т.к. газофазное покрытие из карбида кремния сравнительно быстро окисляется, что приводит к быстрому окислению материала несущей основы.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления изделий из композиционного материала, включающий изготовление пористой заготовки из углеродсодержащего материала на основе термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон с коэффициентами линейного термического расширения (клтр), близкими к клтр углеродной и карбидокремниевой матрицы, и силицирование заготовки паро-жидкофазным методом путем нагрева, выдержки при температуре завершения карбидизации кремния и охлаждения в его парах [Бушуев В.М. Перспективы использования процесса силицирования при изготовлении крупногабаритных герметичных конструкций из углерод-карбидокремниевых материалов / Известия ВУЗов, сер. «Химия и химическая технология», 2012 г., т. 55, вып. 6, с. 63-65].

Способ позволяет несколько повысить эксплуатационные характеристики изготавливаемых изделий за счет придания объемной герметичности материалу изделия (если к тому же сформировать на нем герметичное газофазное покрытие из карбида кремния).

И тем не менее изготавливаемые этим способом изделия имеют недостаточно высокие эксплуатационные характеристики. Это обусловлено либо сравнительно высоким их весом из-за высокой плотности КМ при высоком содержании в нем карбидокремниевой составляющей углерод-карбидокремниевой матрицы, либо недостаточно высоким ресурсом работы в окислительной среде при высоких температурах из-за низкого содержания в КМ карбидокремниевой компоненты, а также из-за сравнительно высокого содержания свободного кремния.

Задачей изобретений является повышение эксплуатационных характеристик изготавливаемых изделий в условиях высокотемпературного воздействия окислительной среды и наличии перепада давления со стороны их внутренней и наружной поверхности.

Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. При разработке нового КМ был изобретен новый способ изготовления герметичных изделий с градиентными по его толщине свойствами. Применение материала и способа изготовления из него изделий позволит решить поставленную задачу с получением требуемого технического результата - повышение эксплуатационных характеристик изготавливаемых изделий в условиях высокотемпературного воздействия окислительной среды и наличии перепада давления со стороны их внутренней и наружной поверхности.

Следовательно, заявленные изобретения удовлетворяют требованиям единства изобретения.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном композиционном материале, выполненном на основе каркаса из термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон, углерод-карбидокремниевой матрицы и придающего ему герметичность свободного кремния, имеющих близкий между собой клтр, в соответствии с заявляемым техническим решением содержание карбида кремния в углерод-карбидокремниевой матрице, а также содержание имеющихся в ней наноразмерных частиц углерода и/или карбида кремния изменяется по толщине материала изделия, а именно: наибольшее содержание приходится на защитные слои, а наименьшее - на несущие слои материала изделия; при этом размер вкраплений свободного кремния в карбиде кремния в объеме и в поверхностных слоях материала изделия не превышает соответственно 8-10 мкм и 2-3 мкм.

Выполнение композиционного материала с изменяющимся по толщине изделия содержанием карбида кремния в углерод-карбидокремниевой матрице, а также содержанием имеющихся в ней (матрице) наноразмерных частиц углерода и/или карбида кремния, а именно: с наибольшим содержанием в защитных слоях и наименьшем - в несущих слоях материала изделия, позволяет придать материалу защитных слоев высокую окислительную стойкость при несколько меньшем уровне прочностных характеристик, чем у материала несущих слоев, и наоборот, позволяет придать материалу несущих слоев более высокий уровень прочности (к тому же при меньшей его плотности) при более низкой его окислительной стойкости. При этом за счет того, что материал защитных слоев имеет более высокое содержание наноразмерных частиц углерода и/или кремния разница прочностных характеристик материала защитных и несущих слоев не столь значительна по сравнению с той, что могла бы быть в отсутствии указанных наночастиц.

К тому же наличие в материале защитных слоев наночастиц позволяет повысить стойкость его к тепловому удару.

То обстоятельство, что размер вкраплений свободного кремния в карбиде кремния в объеме и в поверхностных слоях материала изделия не превышает соответственно 8-10 и 2-3 мкм (т.е. очень мал), позволяет исключить вероятность образования усадочных трещин во время получения и работы материала в изделии в условиях термоциклирования (следствием чего является повышение проницаемости материала) и тем самым получить и сохранить в процессе эксплуатации герметичность.

Кроме того, малые размеры фрагментов свободного кремния, находящиеся поэтому в сравнительно мелких и ультрамелких порах, позволяют исключить его выпотевание при высоких температурах, в том числе при работе изделия в вакууме, что, в свою очередь, позволяет сохранить низкую проницаемость материала в указанных условиях.

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать материалу градиентные по толщине изделия свойства, а именно: высокую окислительную стойкость и стойкость к тепловому удару при приемлемой прочности с одной боковой поверхности изделия и высокую прочность и стойкость к тепловому удару при сравнительно низкой окислительной стойкости (в высоком уровне которой и нет необходимости, т.к. она не контактирует с потоком газа, имеющим высокий окислительный потенциал) материала со стороны, противоположной поверхности, а также способность обеспечить и сохранить в процессе эксплуатации изделия низкую проницаемость материала.

Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышаются эксплуатационные характеристики изготавливаемых из заявляемого материала изделий в условиях высокотемпературного воздействия окислительной среды и наличии перепада давления со стороны их внутренней и наружной поверхности.

Поставленная задача также была решена за счет того, что в известном способе изготовления герметичных изделий из композиционного материала, включающем изготовление пористой заготовки из углеродсодержащего материала на основе термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон с клтр, близкими к клтр компонентов углерод-карбидокремниевой матрицы, и силицирование заготовки паро-жидкофазным методом путем нагрева, выдержки при температуре завершения карбидизации кремния и охлаждения в его парах, в соответствии с заявляемым техническим решением пористую заготовку под силицирование изготавливают в следующей последовательности: вначале изготавливают заготовку из материала с углеродной матрицей с открытой пористостью, уменьшающейся от защитных слоев к несущим слоям материала изделия от 20-60 до 6-12%, затем открытые поры полученного материала заготовки заполняют нанодисперсным углеродом или его смесью с мелкодисперсным углеродом с размером частиц не более 5 мкм, а при силицировании паро-жидкофазным методом первоначальный массоперенос кремния в поры материала заготовки производят путем капиллярной конденсации его паров в интервале температур на заготовке 1300-1600ºС, давлении в реакторе не более 27 мм рт. ст., при температуре паров кремния, превышающей температуру заготовки соответственно на 100-10°С.

В предпочтительном варианте выполнения способа заполнение открытых пор материала нанодисперсным углеродом производят за счет выращивания в них наночастиц, -волокон или -трубок путем пропитки заготовки предкатализатором и обработки в среде метана при 800-850ºС и Ратм в течение 8-12 часов с возможным повтором указанных процедур.

В другом предпочтительном варианте выполнения способа нагрев при капиллярной конденсации паров кремния производят с 1300 до 1600ºС с изотермическими выдержками в указанном интервале температур.

Изготовление пористой заготовки под силицирование в такой последовательности, что вначале изготавливают заготовку из материала с углеродной матрицей, с открытой пористостью, уменьшающейся от защитных слоев к внешним слоям материала изделия от 20-60 до 6-12%, создает предпосылки для введения в поры большего количества дисперсного наполнителя со стороны защитных слоев материала изделия в сравнении с несущими слоями, а также предпосылки для превращения открытых пор материала в более мелкие.

Заполнение открытых пор материала заготовки нанодисперсным углеродом или его смесью с мелкодисперсным углеродом с размером частиц не более 5 мкм позволяет перевести открытые поры в более мелкие поры, оставляя их по большей части открытыми; при этом наибольшее содержание дисперсного наполнителя оказывается в порах защитных слоев материала изделия, т.е. позволяет реализовать созданные 1-м признаком предпосылки. Кроме того, наличие в сравнительно мелких порах сравнительно небольших размеров частиц углерода создает предпосылки для: а) перевода большей части углерода в карбид кремния; б) ограничения количества и размеров вкраплений свободного кремния в карбид кремния; в) предотвращения доступа кремния (при силицировании заготовки) к армирующим волокнам.

При размере частиц более 5 мкм создаются предпосылки для увеличения количества и размеров фрагментов свободного кремния и свободного углерода с уменьшением количества карбида кремния, что нежелательно.

Осуществление (в предпочтительном варианте выполнения способа) процедуры заполнения открытых пор материала нанодисперсным углеродом за счет выращивания в них наночастиц, -волокон или -трубок путем пропитки заготовки предкатализатором и обработки в среде метана при 800-850ºС и атмосферном давлении в течение 8-12 часов, с возможным повтором указанных процедур, позволяет упростить заполнение сравнительно мелких пор и тем самым увеличить количество вводимого в открытые поры дисперсного углерода.

Осуществление при паро-жидкофазном методе силицирования первоначального массопереноса кремния в поры материала заготовки путем капиллярной конденсации его паров в интервале температур на заготовке 1300-1600ºС, давлении в реакторе не более 27 мм рт. ст., при температуре паров кремния, превышающей температуру заготовки соответственно на 100-10°С, позволяет заполнить кремнием сколь угодно мелких размеров поры, а в совокупности с предыдущим признаком - большую часть кремния уже в этом интервале температур перевести в карбид кремния.

Тем самым в защитных слоях материала формируется большее количество карбида кремния, чем в несущих слоях материала изделия. Кроме того, реализуются предпосылки, созданные предыдущим признаком, а именно: большая часть углерода (за счет большого количества дисперсного углерода) преобразуется в карбид кремния, ограничивается количество и размеры вкраплений свободного кремния в карбид кремния, предотвращается доступ кремния (при силицировании заготовки) к армирующим волокнам.

Проведение нагрева (в предпочтительном варианте выполнения способа) при капиллярной конденсации паров кремния с 1300 до 1600ºС с изотермическими выдержками в указанном интервале температур позволяет начать заполнение кремнием с наиболее мелких пор и закончить более крупными.

При температуре на заготовке ниже 1300ºС существует вероятность образования на поверхности изделия твердого конденсата паров кремния, превращающегося при последующем нагреве до более высоких температур в расплав кремния, который не сможет пропитать ультратонкие поры материала.

При температуре более 1600ºС и/или несоответствии ей разницы температур между парами кремния и силицируемой заготовкой велика вероятность образования на поверхности заготовки жидкого конденсата паров кремния, который опять-таки не сможет пропитать ультратонкие поры материала заготовки.

При температуре 1300ºС и несоответствии ей разницы температур между парами кремния и заготовкой мала скорость капиллярной конденсации паров кремния, что приводит к необоснованному удлинению процесса силицирования.

При давлении в реакторе более 27 мм рт. ст. замедляется скорость испарения кремния.

Проведение последующего нагрева и выдержки при температуре завершения карбидизации кремния позволяет в наибольшей степени перевести свободный кремний и углерод в карбид кремния (это признак ограничительной части формулы изобретения).

Проведение охлаждения заготовки в парах кремния (это признак ограничительной части формулы) позволяет заполнить свободным кремнием открытые поры материала, если таковые еще остались к этому моменту.

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать материалу градиентные по толщине изделия свойства, а именно: высокую окислительную стойкость и стойкость к тепловому удару при приемлемой прочности с одной боковой поверхности изделия и высокую прочность и стойкость к тепловому удару при сравнительно низкой окислительной стойкости материала со стороны, противоположной поверхности, а также способность обеспечить и сохранить в процессе эксплуатации изделия низкую проницаемость материала.

Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышаются эксплуатационные характеристики изготавливаемых из заявляемого материала изделий в условиях высокотемпературного воздействия окислительной среды и наличии перепада давления со стороны их внутренней и наружной поверхности.

Способ осуществляют следующим образом.

На основе термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон с клтр, близкими к клтр компонентов углерод-карбидокремниевой матрицы, изготавливают пористую заготовку из углеродсодержащего материала.

Причем изготавливают ее в следующей последовательности: вначале изготавливают заготовку из материала с углеродной матрицей с открытой пористостью, уменьшающейся от защитных слоев к несущим слоям материала изделия от 20-60 до 6-12%, затем открытые поры полученного материала заготовки заполняют нанодисперсным углеродом или его смесью с мелкодисперсным углеродом с размером частиц не более 5 мкм. В предпочтительном варианте выполнения способа заполнение открытых пор материала нанодисперсным углеродом производят за счет выращивания в них наночастиц, -волокон или -трубок путем пропитки заготовки предкатализатором и обработки в среде метана при 800-850ºС и Ратм в течение 8-12 часов с возможным повтором указанных процедур. После этого производят силицирование полученной заготовки паро-жидкофазным методом путем нагрева, выдержки при температуре завершения карбидизации кремния и охлаждения в парах кремния. При этом первоначальный массоперенос кремния в поры материала заготовки производят путем капиллярной конденсации его паров в интервале температур на заготовке 1300-1600ºС, давлении в реакторе не более 27 мм рт. ст., при температуре паров кремния, превышающей температуру заготовки соответственно на 100-10°С. В предпочтительном варианте способа нагрев при капиллярной конденсации паров кремния производят с 1300 до 1600ºС с изотермическими выдержками в указанном интервале температур.

Ниже приведены примеры конкретного выполнения способа.

Во всех примерах изготавливали пластины размером 120×150×8 мм.

Пример 1

Одним из известных способов изготовили заготовку из материала с углеродной матрицей с открытой пористостью, уменьшающейся от защитных слоев к несущим слоям материала будущей пластины из УККМ от 56 до 8,5% (определили на пластине-свидетеле).

При этом изготовили ее на основе каркаса, сформированного на круглоткацкой машине, из низкомодульных ЭКС-ГЦ-углеродных волокон, имеющих клтр, близкий к клтр углеродной и карбидокремниевой матрицы. Причем со стороны защитных слоев материала каркас был выполнен разряженной, а со стороны несущих слоев материала - плотной структуры таким образом, что плотность его изменялась от 0,34 до 0,62 г/см3.

Затем открытые поры материала с углеродной матрицей заполнили смесью нанодисперсного и мелкодисперсного углерода с размером частиц 0,5-5,0 мкм (в качестве последнего использовали сажу). Заполнение произвели в 2 этапа. Вначале заготовку пропитали суспензией, состоящей из указанной выше смеси, высушили. Затем пропитали предкатализатором (азотнокислым никелем), высушили, обработали в среде метана при 800ºС, Ратм в течение 12 часов, в результате в порах материала вырастили УНТ.

Полученную заготовку силицировали паро-жидкофазным методом. При этом первоначальный массоперенос кремния в поры материала заготовки произвели путем капиллярной конденсации его паров в интервале температур на заготовке 1300-1600ºС, давлении в реакторе 27 мм рт. ст., при температуре паров кремния, превышающей температуру заготовки. Некоторые свойства заготовки на переделах изготовления и конкретные технологические параметры процесса силицирования, а также некоторые свойства полученного в результате силицирования УККМ приведены в таблице.

Пример 2

Пластину изготовили аналогично примеру 1 со следующими существенными отличиями.

Во-первых, каркас заготовки изготовили из низкомодульной ткани марки УРАЛ-ТМ-4 из ЭКС-ГЦ-углеродных волокон. Плотность каркаса была одинаковой по его толщине и составляла 0,6 г/см3.

Во-вторых, заполнение открытых пор изготовленной на основе указанного каркаса заготовки с углеродной матрицей произвели в два этапа: сперва путем пропитки суспензией наночастиц, а затем путем выращивания в порах УНТ.

Некоторые свойства заготовки на переделах изготовления и конкретные технологические параметры процесса силицирования, а также некоторые свойства полученного в результате силицирования УККМ приведены в таблице.

Пример 3

Пластину изготовили аналогично примеру 2 с тем существенным отличием, что каркас формировали на основе ткани марки SA Tyranno Fiber из карбидокремниевых волокон.

Некоторые свойства заготовки на переделах изготовления и конкретные технологические параметры процесса силицирования, а также некоторые свойства полученного в результате силицирования УККМ приведены в таблице.

Остальные примеры конкретного выполнения способа, в том числе вышерассмотренные, но в более кратком изложении, приведены в таблице, где примеры 1, 1а, 1б, 2, 2а, 2б, 3 соответствуют заявляемому способу, примеры 2в, 2г, 2д - с отклонением от заявляемых пределов, а именно: по температуре заготовки на стадии капиллярной конденсации паров кремния (примеры 2в и 2д) или несоответствию разницы температур (между температурой паров кремния и температурой заготовки) температуре заготовки.

Здесь же приведен пример 4 изготовления пластины в соответствии со способом-прототипом, в котором силицированию подвергался УУКМ с плотностью 1,45 г/см3, открытой пористостью 9,8%.

Для оценки свойств материалов, получаемых в соответствии с заявляемым способом, с полученных после силицирования пластин мехобработкой удаляли несущие или защитные слои материала.

Коэффициент газопроницаемости материалов определяли по ГОСТ 11573-98 на шайбах Ø28,5±0,2 мм сразу после их изготовления, а также на шайбах, подвергнутых нагреву до 1850ºС при давлении 3 мм рт. ст., выдержке в течение 3-х часов и охлаждению.

Как видно из таблицы, изготовление изделий в соответствии с заявляемым способом позволяет: 1) получить их с градиентными по толщине свойствами; 2) с достаточно высоким уровнем прочности материалов защитного и несущего слоев; 3) с высоким содержанием карбида кремния (о чем свидетельствует высокое содержание общего кремния и низкое содержание свободного кремния); 4) сравнительно низкая газопроницаемость материалов защитных и несущих слоев, которая лишь незначительно увеличивается после нагрева образцов в вакууме, что свидетельствует о достаточно тонкой структуре пор, в которых находится свободный кремний (по крайней мере - со стороны поверхности изделия).

О малых размерах вкраплений свободного кремния в карбиде кремния свидетельствуют результаты исследования микроструктуры материалов. Установлено, что размеры вкраплений свободного кремния в глубине материала не превышают 8-10 мкм, а вблизи поверхности - 2-3 мкм.

При отклонении от заявляемых технологических параметров процесса силицирования на стадии капиллярной конденсации получают материалы с более низким содержанием карбида кремния как в защитных, так и несущих слоях материала. Кроме того, существенно снижаются прочностные характеристики защитных слоев материала, увеличивается его газопроницаемость.

Что касается материала, изготовленного по способу-прототипу, то он не обладает градиентными по толщине свойствами, содержит сравнительно мало карбида кремния и в нем размеры фрагментов кремния превышают сотни микрон, следствием чего является повышение его газопроницаемости из-за выпотевания свободного кремния из крупных пор.

1. Композиционный материал, выполненный на основе каркаса из термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон, углерод-карбидокремниевой матрицы и придающего ему герметичность свободного кремния, имеющих близкий между собой клтр, отличающийся тем, что содержание карбида кремния в углерод-карбидокремниевой матрице, а также содержание имеющихся в ней наноразмерных частиц углерода и/или карбида кремния, изменяется по толщине материала изделия, а именно: наибольшее содержание приходится на защитные слои, а наименьшее - на несущие слои материала изделия; при этом размер вкраплений свободного кремния в карбиде кремния в объеме и в поверхностных слоях материала изделия не превышает соответственно 8-10 мкм и 2-3 мкм.

2. Способ изготовления герметичных изделий из композиционного материала, включающий изготовление пористой заготовки из углеродсодержащего материала на основе термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон с клтр, близкими к клтр компонентов углерод-карбидокремниевой матрицы, и силицирование заготовки паро-жидкофазным методом путем нагрева, выдержки при температуре завершения карбидизации кремния и охлаждения в его парах, отличающийся тем, что пористую заготовку под силицирование изготавливают в следующей последовательности: вначале изготавливают заготовку из материала с углеродной матрицей с открытой пористостью, уменьшающейся от защитных слоев к несущим слоям материала изделия от 20-60 до 6-12%, затем открытые поры полученного материала заготовки заполняют нанодисперсным углеродом или его смесью с мелкодисперсным углеродом с размером частиц не более 5 мкм, а при силицировании паро-жидкофазным методом первоначальный массоперенос кремния в поры материала заготовки производят путем капиллярной конденсации его паров в интервале температур на заготовке 1300-1600°C, давлении в реакторе не более 27 мм рт. ст., при температуре паров кремния, превышающей температуру заготовки соответственно на 100-10°С.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что заполнение открытых пор материала нанодисперсным углеродом производят за счет выращивания в них наночастиц, -волокон или -трубок путем пропитки заготовки предкатализатором и обработки в среде метана при 800-850°C и Pатм. в течение 8-12 часов с возможным повтором указанных процедур.

4. Способ по любому из пп. 2, 3, отличающийся тем, что нагрев при капиллярной конденсации паров кремния проводят с 1300 до 1600°C с изотермическими выдержками в указанном интервале температур.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химико-металлургической промышленности для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред.

Изобретение предназначено для использования в химической, химико-металлургической, в авиационной и космической отраслях промышленности. Формируют каркас углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) из низкомодульных углеродных волокон, заполняют его поры дисперсным углеродным наполнителем путем выращивания в них каталитическим методом в газовой фазе наноразмерного углерода в форме частиц, волокон или трубок до его содержания 3,7-10,9% от веса волокнистого каркаса.

Изобретение относится к области создания и производства углеродных материалов с высокими физико-механическими характеристиками, в частности углерод-углеродных композиционных материалов на основе тканых армирующих наполнителей из углеродного высокомодульного волокна и углеродной матрицы, сформированной из пеков в процессе карбонизации и последующих высокотемпературных обработок.
Изобретение относится к способу получения формованного изделия из углеродного материала и может быть использовано в качестве графитовых электродов и соединительных элементов для электротермических процессов.

Изобретение относится к области производства углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) на основе объемно армированных каркасов из высокомодульного волокна и матрицы, произведенной из пеков или смол в процессе карбонизации и последующих высокотемпературных обработок.

Изобретение относится к области композиционных материалов с карбидокремниевой матрицей, предназначенных для работы в условиях окислительной среды при высоких температурах.

Изобретения могут быть использованы в аппаратах химической, химико-металлургической отраслях промышленности, а также в производстве особо чистых материалов. Неразъеёмная монолитная деталь аппарата, снабженная выступающими частями, изготовлена из углерод-углеродного композиционного материала на основе каркаса тканепрошивной структуры.
Изобретение относится к получению углерод-углеродных композиционных материалов фрикционного назначения, которые могут быть использованы в авиационных, автомобильных и железнодорожных тормозных системах.
Изобретение относится к изделиям скользящего контактного токосъема, в частности к токосъемным вставкам для железнодорожного и городского электротранспорта и технологии ее получения.

Изобретение относится к нанесению покрытий для защиты от окисления деталей из термоструктурных композитных материалов, содержащих углерод. Для получения самовосстанавливающегося слоя на детали из композитного материала на деталь наносят композицию, содержащую: суспензию коллоидного диоксида кремния, бор или соединение бора в виде порошка, карбид кремния в виде порошка, кремний в виде порошка и по меньшей мере один сверхжаропрочный оксид: Y2O3, HfO2, Al2O3, ZrO2.

Изобретение относится к технологии получения керамических материалов на основе карбида вольфрама (WC), а также к технологии искрового плазменного спекания для получения керамических нанокомпозитов, обрабатываемых электрофизическими и электрохимическими методами, и может быть использовано в различных областях науки и техники.

Настоящее изобретение относится к области композитных конструкций, применяемых в качестве жаростойкого теплообменника или фильтра в летательных аппаратах гражданской авиации, авиакосмической и ракетной техники.

Изобретение относится к огнеупорным материалам, которые могут быть использованы в черной и цветной металлургии в качестве футеровки доменных, шахтных и других печей.

Изобретение относится к области создания высокотемпературных керамических материалов, а именно к способу получения плотноспеченного керамического материала из порошков карбида титана.

Изобретение относится к технологии получения высокоплотных изделий спеканием заготовок из уплотненных нанодисперсных порошков карбида вольфрама методом электроимпульсного плазменного спекания (SPS) и может быть использовано при изготовлении металлообрабатывающих инструментов, мишеней для напыления износостойких покрытий экстремально нагружаемых ответственных деталей машин, например коленчатых валов тяжелых бронированных транспортных средств, а также материалов специального назначения с эффектом динамической сверхпрочности.

Изобретение относится к производству изделий из композиционных материалов с карбидно-металлической матрицей, получаемых методом объемного металлирования. Способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе матрицы из карбидов металлов включает изготовление заготовки из пористого углеродсодержащего материала с низкой плотностью и высокой открытой пористостью и ее металлирование паро-жидкофазным методом.
Изобретение относится к конструкционным материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении безусадочности, жаропрочности и жаростойкости, в сохранении механической прочности в интервале температур 25-1400°С, повышении долговечности и фазовой стабильности при любом использовании материала в указанном диапазоне температур.
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении деталей и узлов неохлаждаемых конструкций нового поколения авиационных газотурбинных двигателей с повышенными характеристиками удельной мощности и топливной экономичности, работающих при температурах до 1750°С в условиях воздействия окислительных сред.

Изобретение относится к композиционному материалу, содержащему частицы алмаза карбида бора и карбида кремния, и может быть использовано в качестве брони, инструментов для резки, сверления и механической обработки, а также в применениях, где происходит абразивный износ.

Изобретение относится к производству огнеупорного материала на основе оксикарбида алюминия. Технический результат изобретения - увеличение выхода Al4O4C с одновременным уменьшением содержания Al4C3 и достижение высокой производительности способа.

Изобретение относится к получению пористых углеродных изделий и может быть использовано в электродах для топливных ячеек, суперконденсаторах и электрических аккумуляторах, в качестве адсорбентов и других областях.
Наверх