КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
CERAMIC COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С.
Известен керамический 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).
Керамический композиционный материал может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах, на воздухе при температуре 900°С.
Известен также керамический композиционный материал следующего химического состава, мас.%:
Углеродное волокно
50
Стекломатрица
50
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
81
В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
13
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2
Na<sub>2</sub>O
4
(патент США №4511663).
Известный керамический композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.
К недостаткам этих материалов следует отнести невысокую термостойкость (стойкость к циклическим нагревам) и жаростойкость при температуре 1400°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
C
25-40
SiB<sub>4</sub>
2-6
SiC
остальное
(патент РФ №2297992).
Недостатками керамического композиционного материала-прототипа являются недостаточная термостойкость и жаростойкость (убыль массы) при длительной эксплуатации материала при температуре 1400°С.
Следует отметить, что в условиях окислительной среды изменение (на 50-100°С) рабочей температуры керамических композиционных материалов, матрица которых содержит борсодержащие компоненты, оказывает значительное влияние на процесс окисления и количество образуемой боросиликатной стеклосвязки, что приводит к изменению эксплуатационных характеристик материала в процессе длительной эксплуатации.
Технической задачей изобретения является увеличение термостойкости и жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1400° в течение длительного времени (свыше 100 ч).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, которая дополнительно содержит диоксид кремния, карбид бора и борный ангидрид, при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si
20-30
С
25-35
SiB<sub>4</sub>
1,6-1,8
SiO<sub>2</sub>
4-5
В<sub>4</sub>С
1-3
В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
0,5-2
SiC
остальное
Авторами установлено, что дополнительное введение в матрицу диоксида кремния, карбида бора, борного ангидрида при заявленных соотношении и содержании компонентов приводит к образованию при 1400°С в окислительной среде достаточного количества вязкой защитной боросиликатной стеклосвязки, обладающей способностью релаксировать термоупругие напряжения и препятствующей диффузии кислорода в объем материала, что повышает его термостойкость и жаростойкость.
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.
4
4
Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB) и карбида бора (ВС) 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.
2
2
3
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем в системе SiO-ВО с промежуточной сушкой на воздухе в течение 24 ч.
Свойства предлагаемого керамического композиционного материала и материала-прототипа приведены в таблице 2.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что термостойкость предлагаемого керамического композиционного материала в ~2,5 раза выше, чем у материала-прототипа. Привес массы материала при испытаниях на жаростойкость подтверждает образование защитной боросиликатной стеклосвязки. Жаростойкость предлагаемого керамического композиционного материала, в мас.%: 100 ч - 1,8÷2,1; 200 ч - 2,2÷2,7; 300 ч - 2,8÷2,9; 400 ч - 3,2÷3,5, в то же время у материала-прототипа наблюдается убыль массы и разрушение после 100 ч испытаний при 1400°С вследствие окисления углеродного наполнителя.
Таким образом, применение предлагаемого керамического композиционного материала с повышенной термостойкостью и жаростойкостью при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых длительное время в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С, позволяет повысить надежность и ресурс изделий.
Таблица 1
Наименование компонентов
Состав по примерам, мас.%
1
2
3
4 прототип
Матрица:
Si
20
25
30
30
C
35
30
25
30
SiB<sub>4</sub>
1,8
1,7
1,6
4
SiO<sub>2</sub>
5
4,5
4
-
B<sub>4</sub>C
3
2
1
-
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2
1,5
0,5
-
SiC
ост.
ост.
ост.
ост.
Таблица 2
№ п/п
Свойства
Предлагаемые составы
Прототип
1
2
3
4
1.
Термостойкость, цк, 1400°С↔20°С, охлаждение на воздухе
100
105
100
40
2.
Жаростойкость, мас.%, 1400°С
100 ч
1,8
2,1
1,9
-2,5 разрушение образца
200 ч
2,2
2,6
2,7
разрушение образца
300 ч
2,9
2,8
2,9
-«-
400 ч
3,3
3,2
3,5
-«-