КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УГЛЕРОД-КАРБИДОКРЕМНИЕВОГО МАТЕРИАЛА
COMPOSITION FOR MANUFACTURING CARBON SILICON-CARBIDE MATERIAL

Изобретение относится к области производства объемносилицированных изделий.
Известна композиция для нанесения на положку из углеродистого композиционного материала для последующего образования на ней карбида кремния, содержащая алкоксид кремния, воду, органический растворитель и углеродсодержащее вещество - патент RU 2070163 С1, кл. С01В 31/36, опубл. 10.12.1996 г.
По своим признакам и достигаемому результату эта композиция наиболее близка к заявляемой и принята за прототип.
В данной композиции в качестве алкоксида кремния используют, например, триалкоксисилан или тетраалкоксисилан в количестве 0,05-0,3 моль на 1 моль воды, в качестве органического растворителя - ацетон либо смесь ацетона с этиловым или пропиловым спиртом в количестве 0,3-1 моль на 1 моль воды, в качестве углеродсодержащего вещества - полиакрилонитрильную, эпоксидную, фенольную или фурановую смолу в количестве 1-3 моль углерода на 1 моль алкоксида кремния. Композицию гидролизуют в присутствии кислотного катализатора, в качестве которого используют соляную кислоту и, в виде геля, кистью наносят на углеродистую положку, удаляют из геля летучие вещества и термообрабатывают при температуре не менее 1300°С.
Недостаток композиции по прототипу заключается в том, что она не обеспечивает равномерности свойств углерод-карбидокремниевого материала по всему его объему, т.е. решения нашей задачи.
Неравномерность свойств углерод-карбидокремниевого материала объясняется невозможностью пропитки композицией в виде геля всего объема подложки при нанесении на ее поверхность геля кистью.
Задача изобретения заключается в обеспечении однородности (изотропности) свойств углерод-карбидокремниевого материала в изделии.
Эта задача решается усовершенствованием композиции для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, включающей в себя бакелит жидкий марки БЖ-3, растворитель, вещество-реагент и инициатор разложения вещества-реагента.
Усовершенствование заключается в том, что в качестве растворителя композиции используют изопропиловый спирт, вещества-реагента - тетраэтоксисилан, инициатора разложения тетраэтоксисилана - изопропиловый спирт и воду при соотношении компонентов:
Бакелит жидкий марки БЖ-3
100
Изопропиловый спирт
67-100
Тетраэтоксисилан
53-160
Вода
11-32
Использование в композиции жидкого бакелита, изопропилового спирта, тетраэтоксисилана и инициатора разложения тетраэтоксисилана - изопропилового спирта и воды, благодаря ее высокой текучести, позволяет обеспечить равномерное распределение композиции в составе композиционного материала.
При этом использование жидкого бакелита марки БЖ-3 позволяет осуществить соединение всех компонентов в единый композиционный материал, обеспечить высокую пропитывающую способность композиции ввиду самой низкой вязкости среди существующих бакелитов, а также обеспечить углеродом процесс карбидизации без вовлечения в него углерода волокнистого материала, а изопропилового спирта - формирование гомогенного раствора связующего, обеспечивающего равномерность пропитки тканевых углеродных заготовок. Наличие в составе композиции тетраэтоксисилана и воды позволяет обеспечить выделение из композиции двуокиси кремния, которая, в дальнейшем, обеспечивает карбидизацию углеродного материала, и заложить возможность дальнейшей карбидизации композиционного материала уже на стадии формирования углепластика, что значительно упрощает технологию изготовления углерод-карбидокремниевого материала.
Выход компонентов за обозначенные пределы ведет к негарантированному качеству композиционного материала.
При приготовлении предлагаемой композиции сначала вводят бакелит жидкий марки БЖ-3, затем растворитель - изопропиловый спирт, далее - тетраэтоксисилан и, в последнюю очередь, в композицию вводят воду и тщательно перемешивают.
При этом первые 1,5-2,0 часа композиция представляет собой прозрачный гомогенный жидкотекучий раствор, которым и производят пропитку тканевых углеродных заготовок, обеспечивая при этом практически абсолютную равномерность распределения композиции в тканевой углеродной заготовке, чем достигается равномерность (изотропность) свойств будущего углерод-карбидокремниевого материала. По прошествии 1,5-2,0 часов в композиции происходит выделение двуокиси кремния в соответствии со следующими химическими реакциями:
2
5
4
2
4
2
5
SiO(OCH)+4HO→Si(OH)+4CHOH
4
2
2
Si(OH)→SiO+2HO
чем достигается равномерное распределение связующего и двуокиси кремния в объеме углеволокнистого наполнителя.
Готовят композицию для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, вводят компоненты в последовательности, упомянутой выше. В течение 90-100 минут композиция после перемешивания компонентов сохраняет прозрачность и однородность, в этих условиях производят пропитку тканевых заготовок. Введение катализатора гидролиза не требуется, так как он значительно ускоряет процесс гидролиза и тем самым сокращает время, необходимое для пропитки.
Затем композиция начинает мутнеть, т.е. начинается выделение двуокиси кремния и осаждение его на углеродных волокнах (что обеспечивает упрощение технологического процесса). При этом средний фракционный состав выделяющейся двуокиси кремния - 0,1 мкм (чем обеспечиваются большие равномерность распределения и однородность свойств углерод-карбидокремниевого материала).
Все приведенные данные подтверждены результатами испытаний опытных образцов на основе углеродного наполнителя в виде пластины (200×150×3 мм), сшитых из 6 слоев ткани УТ-900П (см. таблицу).
Для характеристики равномерности распределения карбида кремния в материале, структуры материала и равномерности его свойств из упомянутых пластин (200×150×3 мм) вырезали квадратные образцы 30×30 мм равномерно по диагоналям пластин в количестве 10 шт., в каждой из которых определяли величину открытой пористости, плотности и содержания карбида кремния весовым методом путем выжигания углеродной составляющей и определения массовой доли остатка карбида кремния. Равномерность свойств материала характеризовали величиной среднеквадратичного отклонения (σ) определения пористости, плотности и содержания карбида кремния. Результаты приведены в таблице.
Анализ данных таблицы показывает, что при значениях содержания компонентов композиции в пределах интервалов, приведенных в формуле изобретения, содержание карбида кремния имеет минимальное среднеквадратичное отклонение, т.е. величины содержания карбида кремния в различных зонах образца углерод-карбидокремниевого композиционного материала очень мало (в пределах 3-4%) отличаются от среднего значения, что свидетельствует о высокой степени равномерности распределения карбида кремния в объеме образца. При этом композиционный материал становится более плотным за счет мелкодисперсности карбида кремния и менее пористым, сохраняя значительную степень равномерности свойств.
Композиция для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, благодаря наличию в ее составе связующего и введенных в него силицирующих агентов, обеспечивает мелкодисперсность, повышенную равномерность распределения карбида кремния в получаемом углерод-карбидокремниевом материале и характеризуется по сравнению с прототипом повышенной равномерностью его свойств и упрощением технологии изготовления углерод-карбидокремниевого материала с гарантированными свойствами.
Таблица
№ образца
Содержание компонентов в пропиточной композиции, мас. ч.
Содержание карбида кремния (SiC), %
σ<sub>SiC</sub>
Плотность, (ρ), г/см<sup>3</sup>
σ<sub>ρ</sub>
Открытая пористость (П), %
σ<sub>П</sub>
Бакелит жидкий БЖ-3
Изопропиовый спирт
Тетраэтоксисилан
Вода
1
100
55
45
8
2,4
0,5
1,45
0,16
11,0
1,2
2
100
70
55
12
3,4
0,1
1,54
0,04
4,2
0,2
3
100
80
100
20
6,8
0,2
1,58
0,04
3,4
0,2
4
100
90
150
30
10,2
0,4
1,56
0,05
2,8
0,1
5
100
120
180
40
12,0
3,8
1,42
0,12
9,3
0,8