Композиционный материал и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных углеродными волокнистыми наполнителями, используемым для изготовления теплонагруженных деталей, например бандажных колец, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении. Техническим результатом изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочих температурах до 800°С. Предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, В2О3 и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит Al2О3, SrO, BaO, TiO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%: стекломатрица - 60,5-73,5; углеродный волокнистый наполнитель - 26,5-39,5, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%: SiO2 - 35,0-55,5; В2О3 - 6,0-15,0; Al2О3 - 12,0-15,0; SrO - 9,0-10,0; BaO - 12,0-15,0; TiO2 - 5,5-10,0. Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде ленты, нити, ткани, жгута. Изделие выполнено из предлагаемого композиционного материала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных углеродными волокнистыми наполнителями, используемым для изготовления теплонагруженных деталей, например бандажных колец, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.

Известен композиционный материал, имеющий химический состав, мас.%:

Стекломатрица
стекло "Пирекс"45,0-80,2
Углеродное волокно19,8-55,0

(The mechanical properties of carbon fiber reinforced Pyrex glass.// Journal of Materials Science 7 (1972) P.1454-1464)

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO279,93
B2O312,12
Al2O31,93
MgO0,17
СаО0,43
Na2O3,68
K2O1,74

(Химическая технология стекла и ситаллов./Под ред. Н.М.Павлушкина/ М.: Стройиздат. 1983. с 301)

Известный композиционный материал может быть использован для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.

Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Известен композиционный материал, имеющий химический состав, мас.%:

Стекломатрица50
Углеродное волокно50

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO281
В2O313
Al2O32
Na2O4

(патент США №4511663)

В качестве стекломатрицы в данном композиционном материале используется стекло "Пирекс 7740".

Недостатками указанного композиционного материала являются низкая фазовая термостабильность, вызванная кристаллизацией стекломатрицы такого типа, с образованием кристобалита как на стадии изготовления детали, так и во время ее эксплуатации, низкий уровень рабочих температур до 500°С, низкая жаростойкость при температурах выше 500°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является композиционный материал следующего химического состава, мас.%:

Стекломатрица60-66
Углеродный жгут34-40

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO258,9-69,3
B2O313,5-15
SiOC15,7-27,6

SiOC имеет химический состав, мас.%:

О2-4,7
С27,3-30
Siостальное

(патент РФ №2193539).

Материал-прототип может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.

Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость (высокая убыль массы) при температурах 500-800°С.

Технической задачей изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочих температурах до 800°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, B2O3 и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит Al2O3, SrO, BaO, TiO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица60,5-73,5
Углеродный волокнистый наполнитель26,5-39,5

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO235,0-55,5
B2O36,0-15,0
Al2O312,0-15,0
SrO9,0-10,0
BaO12,0-15,0
TiO25,5-10,0

Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде ленты, нити, ткани, жгута. Изделие выполнено из предлагаемого композиционного материала.

Авторами установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу Al2O3, SrO, BaO, TiO2, при заявленном соотношении и содержании компонентов, позволит повысить жаростойкость (снизить убыль массы) изделий из композиционного материала при рабочих температурах до 800°С.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Для получения композиционного материала были приготовлены четыре композиции, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1. В качестве углеродного волокнистого наполнителя использовали углеродную ленту "Кулон", нить "Гранит", ткань "Урал Т22", жгут "УКНП 5000".

Стекломатрицу получали по методу, совмещающему "золь-гель" технологию изготовления фритты боросиликатного стекла и шликерной технологии с введением поверхностно-активных добавок, регулирующих свойства стекломатрицы. Сухую смесь дисперсных частиц (размером менее 10 мкм) компонентов стекломатрицы (В2O3, Al2O3, BaO, SrO, TiO2) смешивали с коллоидным раствором силикозоля кремниевой кислоты в фарфоровом барабане с алундовыми шарами в течение 2-4 часов. Полученную суспензию наносили на углеродный волокнистый наполнитель с одновременной прокаткой резиновым валиком и последующей выкладкой на формовочную плоскость. Полученные полуфабрикаты сушили при температуре 18-100°С до постоянной массы. Полученные заготовки укладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию.

В таблице 2 представлены свойства полученных образцов композиционного материала в сравнении с прототипом.

Таблица 1
Компоненты композиционного материалаСодержание компонентов в образцах, мас.%
12345 (прототип)
Углеродный волокнистый наполнительЛента "Кулон"26,5----
Нить "Гранит"-30---
Ткань "Урал Т22"--35--
Жгут "УКНП 5000"---39,535
СтекломатрицаКомпоненты матрицы73,5706560,565
SiO255,548,542,835,069,3
В2O368,511,21515,0
Al2O31213151515,7
SrO99,51010-
BaO12131215-
TiO25,57,5910-

Таблица 2
Свойства композиционного материала12345 (прототип)
Температура, °С800800800800800
Время, час7575757526
Убыль массы образцов после испытаний, мас.%2,72,92,92,832,4
Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов)ОтсутствуютОтсутствуютОтсутствуютОтсутствуютПрогары

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала значительно возрастает, прототип композиционного материала теряет значительную часть армирующего наполнителя в течение 26 часов при 800°С.

Незначительная убыль массы образцов (менее 3 мас.%) подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала, предотвращающего диффузию кислорода воздуха в глубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.

Из таблицы 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 15 раз при температурах до 800°С и позволяет увеличить ресурс работы изделий из него.

Предложенный композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.

1. Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, В2О3 и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит Al2O3, SrO, BaO, TiO2 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица60,5-73,5
Углеродный волокнистый наполнитель26,5-39,5,

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO235,0-55,5
В2О36,0-15,0
Al2O312,0-15,0
SrO9,0-10,0
BaO12,0-15,0
TiO25,5-10,0

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде ленты, нити, ткани, жгута.

3. Изделие из композиционного материала, отличающееся тем, что оно выполнено из материала по п.1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области получения неорганических волокнистых теплоизоляционных материалов конструкционного назначения для изделий гиперзвуковых летательных аппаратов, авиационно-космической и машиностроительной промышленности.
Изобретение относится к области производства стройматериалов, в частности теплоизоляционных изделий на основе огнеупорных волокон. .
Изобретение относится к производству стройматериалов, содержащих керамические волокна и предназначенных для изготовления теплоизоляционных изделий. .

Изобретение относится к теплозащитным абляционным материалам для аэрокосмической промышленности и используется для защиты поверхности, подвергаемой воздействию интенсивной тепловой нагрузки.

Изобретение относится к способам изготовления изделий с композитной волокнистой структурой материала, в частности к изготовлению фильтрующего керамического элемента для очистки высокотемпературного газа.
Изобретение относится к области получения профильных изделий на основе углерода, кремния и карбида кремния, которые могут использоваться в качестве нагревателей, работающих в окислительных газовых потоках при высоких температурах.

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, преимущественно к огнеупорным торкрет-массам для расходуемой футеровки промежуточного ковша МНЛЗ. .
Изобретение относится к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями, используемым для изготовления кольцевых элементов, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.
Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями.

Изобретение относится к композициям кремнезема, в частности к композициям непрозрачного кремнезема. .

Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями.

Изобретение относится к строительным материалам на основе стекла и может быть использовано для изготовления облицовочных плит с высокими физико-механическими свойствами для защиты строительных конструкций и технологического оборудования от воды и радиации.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам шихты на основе стеклянного порошка для изготовления пористых фильтров, используемых для очистки жидкостей и горячих газов при температурах до 620°С.

Изобретение относится к солнцезадитным ограждающим конструкциям и может быть использовано в строительстве. .
Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокристаллических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой, таких как стойки, проставки переходных устройств, элементы резьбового крепежа и т.д
Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокерамических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных узлов и деталей перспективной авиационно-космической техники, наземных, энергетических, нефте-, газоперекачивающих, транспортных систем и новых областей общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1300°С
Наверх