КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
CERAMIC COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей рабочих аппаратов газовых турбин, газоходов энергетических агрегатов и др., работающих при температуре 1350°С.
Известен керамический 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>O<sub>3</sub>
13,5-15
SiOC
15,7-27,6
(патент РФ №2193539).
Композиционный материал может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.
Недостатком указанного композиционного материала является недостаточно высокая жаростойкость при температурах выше 800°С.
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 композиционного материала и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1350°С на воздухе.
Известен 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
Аl<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, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.
Недостатком керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при температуре 1350°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
С
25-40
SiB<sub>4</sub>
2-6
SiC
остальное
(патент РФ №2297992).
Керамический композиционный материал-прототип может быть использован при изготовлении, например, уплотнительных колец газо- и нефтеперекачивающих станций, втулок, клапанов теплообменников, рекуператоров, работающих в агрессивных средах и на воздухе при 1500°С.
Недостатком прототипа является низкая жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов), что делает данный керамический композиционный материал неработоспособным в условиях эксплуатации.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при этом матрица дополнительно содержит диоксид кремния и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si
20-30
С
25-35
SiB<sub>4</sub>
0,1-1,5
SiO<sub>2</sub>
6-9
В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
3-9
SiC
остальное
Авторами установлено, что введение в матрицу диоксида кремния и борного ангидрида при заявленных соотношениях и содержании компонентов приводит к образованию при температурах 1350°С при воздействии кислорода воздуха боросиликатной стеклосвязки, обеспечивающей самозалечивание (закупорку) возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., препятствующей диффузии кислорода в объем материала и деградации углеродного волокна, и, тем самым, повышает жаростойкость керамического композиционного материала при воздействии рабочей температуры 1350°С в течение длительного времени.
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.
2
2
3
Карбид кремния, кремний, углерод и тетраборид кремния - промышленно выпускаемые порошки. Перед смешиванием компонентов их предварительно измельчают до получения частиц размером менее 40 мкм. Поликомпонентный золь в системе SiO-BO получают путем жидкофазного гидролиза в кислой среде водно-спиртового раствора тетраэтоксисилана (ТЭОС) в присутствии борной кислоты.
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 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 системы SiO-ВO с промежуточными сушками на воздухе.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого керамического композиционного материала выше по сравнению с материалом-прототипом, который теряет при обработке часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1350°С в течение 100 часов.
Привес массы образцов (0,9-3,2 мас.%), связанный с образованием боросиликатной стеклосвязки при нагревах на воздухе при температуре 1350°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов керамического 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 керамического композиционного материала в теплонагруженных узлах и деталях газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1350°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:
Si
20
25
30
30
С
35
30
25
30
SiB<sub>4</sub>
1,5
0,8
0,1
4
SiO<sub>2</sub>
9
7
6
-
В<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
6
3
9
-
SiC
ост.
ост.
ост.
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
1350
100
1,4
0,9
1,6
-2,3 разрушение образца
200
2,1
1,6
2,3
разрушение образца
300
2,8
2,1
2,7
-«-
400
3,1
2,6
3,2
-«-
500
2,9
2,3
2,8
-«-