КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
COMPOSITE MATERIAL AND PRODUCT MADE OF IT

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.
4
2
3
2
2
3
2
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 ZrSiO или стеклокерамическую фазу составов ВаО-MgO-AlO-SiO или SrO-AlО-SiO. 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).
2
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 SiO и пузырьков газообразных продуктов окисления, приводящих с течением времени к потере массы.
вол
4
Для улучшения свойств композиционных материалов SiC/SiC получены интерфазные защитные покрытия на основе борсодержащих соединений нитрида бора BN или ВС на непрерывных волокнах SiC, которые служат не только для отклонения матричных трещин, но и для повышения окислительной стойкости, препятствуя деградации волокон.
x
4
вол
вол
Регулируемым осаждением слоев SiC, BC, Si-B-C и Si-B-N получены многослойные композиционные материалы. Слоистые материалы на основе композиционных материалов SiC-SiC с защитными интерфазными борсодержащими покрытиями ВС, BN, полученными в тройной системе Si-B-C, Si-B-N, обладают способностью самозалечивания матрицы. Устойчивость к окислению композиционного материала типа SiC/BN/SiC с интерфазным покрытием BN при умеренных температурах улучшается по сравнению с композиционным материалом типа SiC/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
SiB<sub>4</sub>
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
SiB<sub>4</sub>
0,1-1,5
SiO<sub>2</sub>
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.
4
Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB) 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.
2
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем диоксида кремния SiO 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:SiСSiB<sub>4</sub>SiO<sub>2</sub>SiC
27251,55ост.
35320,83ост.
20400,11ост.
28324-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
-«-