Способ получения композиционного материала и материал, изготовленный этим способом

Изобретение относится к авиационной и машиностроительной промышленности и может быть использовано при создании деталей из конструкционных материалов, в частности антенных обтекателей ракет, работающих при температуре 950°С и выше без изменения радиотехнических характеристик. Технический результат изобретения - повышение по сравнению с исходным материалом прочностных характеристик на 30-50%. Композиционный материал, включает, масс. %: спеченный диоксид кремния пористостью 7-12% - 98,0-99,0 и кремнийорганическую смолу - метилфенилспиросилоксан - 1,0-2,0. Способ получения композиционного материала включает пропитку спеченного диоксида кремния кремнийорганической смолой. Пропитку осуществляют метилфенилспиросилоксаном марки МФСС-8, сушат на воздухе в течение 3-24 часов, затем полимеризуют при температуре 200-230°С в течение 3-4 часов. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Группа изобретений относится к авиационной и машиностроительной промышленности и может быть использована при создании деталей из конструкционных материалов, в частности для изготовления антенных обтекателей ракет, обладающих высокой прочностью в сочетании с хорошими диэлектрическими характеристиками при высоких температурах и стойкостью к термоудару.

Известен способ получения композиционного материала, заключающийся в пропитке пористых неорганических веществ битумным маслом путем окунания с последующей сушкой на воздухе. При этом битумное масло после сушки не переходит в неплавкое, нерастворимое состояние и при температуре 100°С и выше деструктирует с выделением большого количества углеродсодержащих веществ, что приводит к потере радиопрозрачности и разупрочнению материала (патент Франции №2046539, МКИ С 04 В 4/00,1973).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу получения композиционного материала в группе изобретений является способ получения силового элемента оболочки (патент России №2209494, МПК 7 H 01 Q 1/42, публикация 27.07.2003 г.), в котором пористая кварцевая керамика пропитывается полимером - раствором кремнийорганической смолы спироциклического строения с последующей температурной полимеризацией.

Недостатком данного способа является то, что режимы температурной полимеризации полимера выбираются произвольно и поэтому невозможно получить силовой элемент оболочки, отвечающий заданным характеристикам по прочности.

Известен керамический материал (патент Франции №2046539, МКИ С 04 В 4/00,1973), который содержит в качестве добавки битумное масло, упрочняющее керамику, защищает ее от коррозии и повышает ее водостойкость, но используемая добавка нерадиопрозрачна и поэтому не может быть использована для изготовления изделий типа антенных обтекателей ракет и радиопрозрачных окон. Кроме того, битумное масло нетермостойко и при температуре выше 100°С разлагается с выделением большого числа простых углеродосодержащих веществ, в результате чего происходит разупрочнение материала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому композиционному материалу является материал из неорганического оксидного материала, который пропитывается водным или спиртовым раствором алкилтриалкоксисилана - кремнийорганической смолой линейного строения (патент Франции №2.182.513 МКИ С 04 В 41/22, 1973 г.).

Недостатком этого материала является то, что используемая кремнийорганическая смола - алкилтриалкоксисилан - имеет не высокую температуру эксплуатации и начинает деструктировать при температуре 250°С с одновременным разупрочнением керамики и потерей радиопрозрачности.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в следующем:

- заявленный способ получения композиционного материала исключает получение "силового элемента", не отвечающего заданным характеристикам по прочности;

- композиционный материал обладает повышенной прочностью, которая на 30-50% выше по сравнению с исходным материалом, "нулевой" пористостью, а следовательно, влагостойкостью и герметичностью;

- композиционный материал может длительно работать без изменения диэлектрических и радиотехнических характеристик во всем диапазоне температур работы обтекателя до 950°С и выше;

- стойкость композиционного материала к термоудару увеличивается в 2 раза;

- после деструкции полимера при эксплуатации изделий прочность композиционного материала остается выше исходной на 20-25%;

- при изготовлении композиционного материала возможно использование высокопористой керамики, полученной обжигом при 1230-1240°С. В такой керамике отсутствует кристобалит и при ее механической обработке меньше изнашивается алмазный инструмент.

Указанный технический результат достигается тем, что:

1. Способ получения композиционного материала, включающий пропитку спеченного диоксида кремния раствором метилфенилспиросилоксана, отличается тем, что заготовка спеченного диоксида кремния имеет пористость 7,0-12,0%, пропитанную заготовку сушат на воздухе в течение 3-24 часов, затем осуществляют полимеризацию при температуре 200-230°С в течение 3-4 часов.

2. Композиционный материал, изготовленный способом по п.1, включающий спеченный диоксид кремния и метилфенилспиросилоксан, отличается тем, что компоненты находятся в следующем соотношении, масс.%:

диоксид кремния	98,0-99,0
метилфенилспиросилоксан	1,0-2,0

Используемая кремнийорганическая смола - метилфенилспиросилоксан не содержит функциональных групп и полимеризуется без выделения летучих продуктов, что чрезвычайно важно при отверждении его в керамической матрице, в частности, при изготовлении антенных обтекателей ракет.

Для метилфенилспиросилоксана характерна повышенная гибкость молекул, что обуславливает их способность сохранять в широком диапазоне температур показатели основных физико-механических и диэлектрических свойств.

Это также объясняется и пониженным содержанием атомов углерода в молекуле метифенилспиросилоксана и строением отвержденного полимера в керамической матрице, молекулы которого представляют собой спираль, внутрь которой ориентированы метильные и фенильные радикалы.

Отвержденный полимер не плавится и не растворяется в растворителях и начинает деструктировать при температуре, превышающей 450°С. Это объясняется тем, что метилфенилспиросилокан, отвержденный в матрице, в данном случае кварцевой керамике, приобретает некоторые свойства, улучшающие его эксплуатационные свойства, в частности температура термоокислительной и термической деструкции сдвигается в сторону повышенной температуры.

Термическая и термоокислительная деструкция заявленного композиционного материала не носит взрывного характера, что важно при кратковременной работе обтекателя до 950°С и более, при этом прочность материала не падает до исходной и находится выше ее на 20-25%.

Это можно объяснить наличием химической связи между матрицей (в данном случае кварцевой керамикой) и скелетом кремнийорганической смолы, который образуется после термической и термоокислительной деструкции полимера.

Кварцевая керамика с пористостью 7-12% представляет собой материал с хорошо спеченными зернами, образующими сплошной каркас.

Значительное увеличение модуля упругости при спекании до пористости ниже 7% резко уменьшает отношение σ_изг./Е_ст.,, характеризующее способность материала к упругой деформации и входящий в показатель термостойкости, что исключает возможность применения высокоспеченной керамики (пористость менее 6%) в конструкциях, работающих в условиях высоких термических нагрузок,

где σ_изг. - предел прочности при статическом изгибе,

Е_ст. - модуль упругости.

Низкое значение ударной вязкости кварцевой керамики с пористостью более чем 12%, низкая прочность при статическом изгибе представляют определенные трудности при изготовлении изделий с необходимыми механическими и радиотехническими характеристиками. Пропитка такой керамики - это механическое заполнение пор полимером и, как следствие, низкое значение прочностных характеристик полученного материала.

Технологический процесс получения заявленного композиционного материала состоит в следующем:

- обезжиривание ацетоном заготовки из кварцевой керамики, механически обработанной в размер;

- сушка на воздухе 15-20 минут;

- пропитка заготовки раствором метилфенилспиросилоксана (МФСС-8 ТУ6-02-1352-87) плотностью 0,91-0,95 г/см³ в течение 1-30 минут. Пропитка возможна как поверхностная, в том числе и односторонняя, так и объемная;

- сушка на воздухе 3,0-24 часов;

- полимеризация осуществляется в термостате при температуре 200-230°С в течение 3-4 часов.

Для экспериментальной проверки состава полученного композиционного материала и его свойств был приготовлен раствор метилфенилспиросилоксана плотностью 0,91; 0,93; 0,94 и 0,95 г/см³ и образцы из кварцевой керамики с пористостью 7,0; 9,5; 11,0 и 12,0%.

Примеры конкретного выполнения способа получения композиционного материала.

Пример 1

Керамическую заготовку из спеченного диоксида кремния, механически обработанную в размер, пористостью 7,0% обезжиривают ацетоном;

- сушат на воздухе 15 минут;

- пропитывают раствором метилфенилспиросилоксана (МФСС-8 ТУ6-021352-87) плотностью 0,91 г/см³ в течение 1 минуты;

- сушат на воздухе 24 часа

- полимеризуют при 230°С в течение 2,5 часов.

Пример 2

Керамическую заготовку из спеченного диоксида кремния, механически обработанную в размер, пористостью 9,5% обезжиривают ацетоном;

- сушат на воздухе 15 минут;

- пропитывают раствором метилфенилспиросилоксана плотностью 0,93 г/см³ в течение

5 минут;

- сушат на воздухе 15 часов;

- полимеризуют при 220°С в течение 3,0 часов.

Пример 3

Керамическую заготовку из спеченного диоксида кремния, механически обработанную в размер, пористостью 11% обезжиривают ацетоном;

- сушат на воздухе 15 минут;

- пропитывают раствором метилфенилспиросилоксана плотностью 0,94 г/см³ в течение 15 минут;

- сушат на воздухе 10 часов;

- полимеризуют при 210°С в течение 3,5 часов.

Пример 4

Керамическую заготовку из спеченного диоксида кремния, механически обработанную в размер, пористостью 12% обезжиривают ацетоном;

- сушат на воздухе 15 минут;

- пропитывают раствором метилфенилспиросилоксана плотностью 0,95 г/см³

в течение 30 минут;

- полимеризуют при 200°С в течение 4 часов.

Сравнительные характеристики композиционного материала, полученные по вышеприведенным примерам, приведены в таблице.

Таблица
Наименование показателей	Материал, полученный по приведенным выше примерам
	Пример 1	Пример 2	Пример 3	Пример 4
	SiO2-99,0%	SiO2-98,8%	SiO2-98,5%	SiO2-98,0%
МФСС-8-1,0%	МФСС-8-1,2%	МФСС-8-1,5%	МФСС-8-2,0%
Прочность на изгиб, кгс/мм2
при 20°С	7,8	7,2	7,0	6,0
при 700°С	7,5	6,5	6,3	5,0
при 950°С	6,6	5,8	5,0	4,5
Прочность на изгиб, кгс/мм2, исходная
	5.5	4,5	4,0	3,5

Заявленный способ получения композиционного материала и материал на основе диоксида кремния и кремнийорганической смолы спироциклического строения - метилфенлспиросилоксана, изготовленный этим способом, позволяет применить этот материал для изготовления антенных обтекателей ракет, работающих кратковременно при температуре 950°С и выше без изменения радиотехнических характеристик и обладает повышенными по сравнению с исходным материалом прочностными характеристиками на 30-50%.

1. Способ получения композиционного материала, включающий пропитку спеченного диоксида кремния раствором метилфенилспиросилоксана, отличающийся тем, что заготовка спеченного диоксида кремния имеет пористость 7,0-12,0%, пропитанную заготовку сушат на воздухе в течение 3-24 ч, затем осуществляют полимеризацию при температуре 200-230°С в течение 3-4 ч.

2. Композиционный материал, изготовленный способом по п.1, включающий спеченный диоксид кремния и метилфенилспиросилоксан, отличающийся тем, что компоненты находятся в следующем соотношении, мас.%:

Диоксид кремния	98,0-99,0
Метилфенилспиросилоксан	1,0-2,0