КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
CERAMIC COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокерамических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных узлов и деталей перспективной авиационно-космической техники, наземных, энергетических, нефте-, газоперекачивающих, транспортных систем и новых областей общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1300°С.
Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:
Стекломатрица
45,0-80,2
Углеродное волокно
19,8-55,0
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
79,93
В<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
12,12
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,93
MgO
0,17
CaO
0,43
Na<sub>2</sub>O
3,68
К<sub>2</sub>О
1,74
(The mechanical properties of carbon
fiber reinforced Pyrex glass. //
Journal of Materials Science
7 (1972) P.1454.
Недостатком указанного керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при воздействии температур выше 450°С в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.
Известен композиционный материал, включающий стекломатрицу, армированную углеродными волокнами, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2,7
В<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
12,3
Na<sub>2</sub>O
4,2
CaO
0,3
SiO<sub>2</sub>
80,5
(патент США №5391213).
Недостатками известного композиционного материала являются низкая жаростойкость и повышенный коэффициент термического расширения при рабочих температурах 500-550°С.
Известные композиционные материалы могут быть использованы только для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.
Известен также композиционный материал следующего состава, мас.%:
Стекломатрица
60-66
углеродный жгут
34-40
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
58,9-69,3
В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
13,5-15
SiOC
15,7-27,6
(патент РФ №2193539).
Недостатком указанного композиционного материала является недостаточно высокая жаростойкость при температурах выше 800°С.
Композиционный материал может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:
Углеродное волокно
50
Стекломатрица
50
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
81
В<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
13
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2
Na<sub>2</sub>O
4
(патент США №4511663).
Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.
Недостатками керамического композиционного материала - прототипа являются низкая жаростойкость при температурах до 1300°С.
Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости материала при рабочих температурах до 1300°С.
2
2
3
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO, AlО, и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит CaO, BaO, MgO, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
CaO
2,9-4,1
BaO
2,8-4,3
MgO
6,5-10,1
Al<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
14,2-17,3
SiO<sub>2</sub>
остальное
При этом преимущественное соотношение стекломатрицы и углеродного волокнистого наполнителя составляет, мас.%:
Стекломатрица
60,5-73,5
углеродный волокнистый наполнитель
26,5-39,5
Предлагаемый керамический композиционный материал предназначен для изготовления теплонагруженных деталей, применяющихся в авиационной, космической технике и специальном машиностроении.
2
3
2
2
3
2
2
3
2
Авторами установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу оксида кальция, оксида бария и оксида магния при заявленном содержании и соотношении компонентов позволит повысить жаростойкость керамического композиционного материала, работающего при температурах до 1300°С, за счет образования в стеклофазе кристаллических фаз, таких как цельзиан BaO·AlO·SiO, кальциевый анортит СаО·AlO·2SiO, кордиерит 2MgO·2AlO·5SiO, имеющих высокие температуры плавления.
Примеры осуществления
Для получения керамического композиционного материала были приготовлены четыре композиции, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.
Пример 1
Стеклокерамический композиционный материал (табл.1, состав 1) получали по методу, совмещающему «золь-гель» технологию приготовления алюмосиликатного стекла и шликерную технологию. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродную ленту «Кулон».
Суспензию наносили на ленту «Кулон» с одновременной прокаткой резиновым валиком и последующей выкладкой на формовочную плоскость. Полученные полуфабрикаты сушили при температуре (18-100)°С в течение 48-4 часов. Далее заготовки выкладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре до 1400°С.
Примеры 2-4 получения керамических композиционных материалов осуществляли аналогично примеру 1.
В таблице 2 представлены свойства полученных образцов предлагаемого керамического композиционного материала в сравнении с материалом - прототипом.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что предложенный керамический композиционный материал позволяет на порядок улучшить жаростойкость и повысить температуру применения на 500°С.
Применение предлагаемого керамического композиционного материала для изготовления теплонагруженных узлов и деталей обеспечит увеличение ресурса и надежности этих деталей.
Предложенный керамический композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.
Таблица 1
Компоненты керамического композиционного материала
Содержание компонентов в образцах, мас.%:
1
2
3
4 (прототип)
Углеродный волокнистый материал
Лента «Кулон»
26,5
35
39,5
50
Стекломатрица
Компоненты матрицы
73,5
65
60,5
50
СаО
2,9
4,1
3,5
-
ВаО
4,3
2,8
3,5
-
MgO
10,1
9,6
6,5
-
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
17,3
16,5
14,2
2
SiO<sub>2</sub>
остальное
остальное
остальное
81
В<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
-
-
-
13
Na<sub>2</sub>O
-
-
-
4
Таблица 2
Свойства композиционного материала
1
2
3
4 (прототип)
Температура, °С
1300
1300
1300
1300
Время, час
10
10
10
10
Убыль массы образцов после испытаний, мас.%
3,2
3,2
3,0
45
Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов)
отсутствуют
отсутствуют
отсутствуют
отсутствуют