Термоокислительная устойчивость композиционных материалов на основе карбида титана

(рис. 1). Наибольшее увеличение удельной поверхности наблюдается при длительном измельчении в течение 5 минут цемента с введением при измельчении 0,02 масс. % ПАВ; увеличение удельной поверхности по сравнению с удельной поверхностью цемента без введенного ПАВ (Б/Д) составило около 21%.

Прочностные характеристики цементного камня с введенным при помоле цемента ПАВ не ухудшились; наблюдалось даже некоторое улучшение прочностных характеристик по сравнению с цементом, в который при помоле не вводились ПАВ (Б/Д) (рис. 2А и 2Б).

Для оценки влияния введенного ПАВ при помоле цемента на активность цемента при гидратации, было проведено измерение тепловыделения при гидратации цемента в течение 2-х суток (рис. 3). Установлено, что введение ПАВ от переработки кислого гудрона при помоле цемента не снижает его активности при гидратации, при этом наблюдается некоторое увеличение тепловыделения при концентрации введенного ПАВ 0,02 масс. %.

На основании полученных результатов установлено, что использование интенсификаторов помола цемента на основе продуктов переработки кислого гудрона является перспективным, так как при увеличении удельной поверхности цемента, данные интенсификаторы помола не снижают эксплуатационные характеристики получаемого цемента. Кроме того, переработка многотоннажного трудноутилизируемого отхода способна решить экологические проблемы.

Библиографические ссылки

1. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов./Г.С. Хода-ков - М.: Издательство литературы по строительству, 1972.

2. Молчанов В.И. Активация минералов при измельчении./В.И. Молчанов,

О.Г. Селезнева, Е.Н Жирнов. М.: Недра, 1988.

УДК: 666.762.856

А.С. Чайникова, Н.А. Игнатов*, Н.В. Попович, JI.A. Орлова, В.Г. Севастьянов, Л.П. Симоненко*

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия *Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия

ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ композиционных МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ТИТАНА

In the present work results of research of influence of a correlation of the components and sintering atmosphere on thennooxidizing stability of composite materials on the basis of a matrix from sodium-borosilicate glass reinforced by particles of titanium carbide are presented.

В работе представлены результаты исследования влияния соотношения компонентов и атмосферы спекания на термоокислительную устойчивость композиционных материалов на основе матрицы из натрий-боросиликатного стекла армированной частицами карбида титана.

Развитие авиационной и космической техники, тепло- и атомной энергетики требует разработки новых конструкционных материалов, пригодных для работы в экстремальных условиях - при воздействии высоких температур и давлений, динамических нагрузок, агрессивных сред и других факторов. Одним из основных способов создания таких материалов является комбинирование различных веществ с целью получения композиционных материалов (КМ).

В качестве наполнителей, армирующих матрицу КМ, используются волокна вискеры или дискретные частицы. С учетом преимущественно высокотемпературного применения композитов, можно сказать, что наиболее перспективными являются композиционные материалы на основе высокотемпературных неоксидных соединений - нитридов ВЫ) или карбидов (Б1С, В4С),

одним из которых является карбид титана [ 1, 2].

Карбид титана обладает комплексом ценных механических и физикохимических свойств: высокой температурой плавления - 3140 °С, хорошими прочностными характеристиками - аизг=850 МПа, Е=316-428 ГПа и значением ТКЛР 93-10"7 К"1. Основным недостатком ПС является низкая стойкость к окислению кислородом при температурах выше 500 °С, что существенно ограничивает его применение в КМ, эксплуатирующихся в жестких условиях [3]. Одним из способов решения этой проблемы может являться получение композитов с использованием матриц на основе стекла.

Стекловидные матрицы вследствие специфических вязкостных свойств и хорошей текучести при повышенных температурах (800-1400°С) могут обеспечить равномерное обволакивание частиц карбида титана и образование на их поверхности барьерного слоя на пути кислорода, диффундирующего по капиллярным каналам и порам, остающимся после спекания композита. Кроме того, способность стекла находиться в вязкопластичном состоянии может позволить интенсифицировать процесс спекания карбида.

Цель данной работы - исследование влияния соотношения компонентов и условий обжига на окислительную стойкость стекломатричных композиционных материалов на основе карбида титана.

В качестве матрицы КМ было выбрано натрий-боросиликатное стекло, содержащее БЮг 58%, В20з 22 % и ШгО 20 масс.%. Варку стекла осуществляли в корундовых тиглях при температуре 1350 °С в течение 1,5 ч. с последующей отливкой в воду. Полученный гранулят измельчали и просеивали через сито 10500 отв/см2. Для армирования выбранной стекломатрицы использовали карбид титана марки «ч.» («Реахим») в виде частиц диаметром 1-2 мкм. Содержание ПС варьировали в пределах 20-70 масс.% с шагом 10 %. Схема получения КМ приведена на рисунке 1.

Для образцов, содержащих менее 40 масс.% ПС, в процессе обжига наблюдалось обильное порообразование. С повышением доли карбида по-

ристость композитов снижалась, а также происходило смещение процесса спекания КМ в область более высоких температур (рис. 2).

Стекле Карбид титана

65 мкм 1-2 м км

¿Г

Снешмвание с ИПС

Прессование Таблетки с1-8 мм Р = 150 МПа

*

Сушка Т=100%т = 30мин.

1 ш

Обжиг Тя800,С,тш1ч. аргон, вакуум

Рис. 1. Схема получения КМ Рис. 2. Кривые усадки порошков стекла с добавкой ПС

Исследование термоокислительной устойчивости образцов осуществляли с помощью ДСК и определения изменения их массы в процессе термообработки в диапазоне температур 500-900 °С.

Данные ДСК карбида титана (рис. 3) свидетельствуют о том, что активное его окисление происходит в диапазоне температур 400-800 °С и сопровождается приростом массы на 33%. Исследование кинетики окисления образцов при 500 °С (рис. 4) показало, что чистый ТлС при данной температуре окисляется практически полностью, прирост массы достигает максимального значения ~32 % при выдержке в течение 90 мин. Композиционные материалы, независимо от соотношения матрица/наполнитель, атмосферы спекания и времени выдержки, проявляют хорошую термоокислительную стойкость, прирост массы не превышает 2-3 %.

С повышением температуры устойчивость КМ к окислению кислородом воздуха снижается (рис. 5). Интенсивное окисление образцов, независимо от атмосферы обжига, начинается при температурах порядка 600-650 °С. Снижение содержания ТлС в составе композиций приводит к смещению интенсивного окисления КМ в область более высоких температур.

Установлено, что материалы, обожженные в атмосфере аргона, характеризуются меньшим приростом массы, чем после обжига в вакууме. Разница для некоторых составов достигает 10%. Кроме того, для композитов, содержащих 70 масс.% ТлС наблюдается выход прироста массы на постоянное значение ~32 % при температурах порядка 700-750 °С, в то время как для КМ с более низким содержанием карбида потери массы продолжают расти. Для материалов с содержанием ТлС менее 30 масс.%, обожженных в атмосфере аргона, при температурах выше 800 °С наблюдается деформация образцов за счет размягчения стекломатрицы. Таким образом, в результате

проделанной работы можно заключить, что применение стекловидной матрицы позволяет повысить окислительную стойкость ТлС на 200-300 °С.

Рис. 4. Кинетика окисления образцов при 500 °С: сплошные линии - обжиг в атмосфере аргона, штрихпунктирные линии - в вакууме

Температура выдержки, С

Температура выдержки, С

а б

Рис. 5. Зависимость окислительной стойкости образцов от температуры (время выдержки при 500 °С - 150 мин., при остальных температурах - 30 мин.): а - обжиг в атмосфере аргона, б - в вакууме

Однако повышение содержания стекла в составе КМ более 60 масс.% приводит к снижению температуры эксплуатации материала вследствие его деформации, обусловленной размягчением стеклофазы. Данная проблема может быть решена за счет использования матриц из более тугоплавких стекол или последующей их кристаллизацией.

Библиографические ссылки

1. Dispersion-reinforced glass and glass-ceramic matrix composites /Roether J.A., Boccaccini A.R. // Handbook of ceramic composites. Boston: Kluwer Academic publishers, 2005. P. 485-511.

2. Banerjee R. Fibre-reinforced glass/glass-ceramic matrix composites/ Banerjee R., Bos N.R. Ceramic matrix composites. Microstructure, properties and applications. Woodhead publishing limited, 2006. P. 58-99.

3. Hague J.R. Refractory ceramics for aerospace/ Hague J.R., Lynch J.F., Rud-nick A.[etc.]; Publish. Of The American ceramic society, 1964. 265p.

Продолжительность термообработки, мин