Керамический композиционный материал
Владельцы патента RU 2347771:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
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. на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной, космической технике и в машиностроении. Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости и термостойкости материала при рабочих температурах до 800°С при снижении коэффициента термического расширения. Предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу и углеродный волокнистый наполнитель при следующем соотношении компонентов в мас.%: стекломатрица - 60,5-73,5, углеродный волокнистый наполнитель - 26,5-39,5, причем стекломатрица содержит следующие компоненты в мас.%: Al2O3 - 21,0-21,9; SrO - 4,7-19,4; BaO - 1,0-14,0; TiO2 - 11,7-12,2, Al2TiO5 - 1,8-6,5, SiO2 - остальное. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
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. на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной, космической технике и в машиностроении.
Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:
Стекломатрица | 45,0-80,2 |
Углеродное волокно | 19,8-55,0 |
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO2 | 79,93 |
В2О3 | 12,12 |
Al2O3 | 1,93 |
MgO | 0,17 |
CaO | 0,43 |
Na2O | 3,68 |
K2O | 1,74 |
(The mechanical properties of carbon
fiber reinforced Pyrex glass. //
Journal of Materials Science
7 (1972) P.1454
Недостатком указанного керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при воздействии температур выше 450°С в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.
Известен композиционный материал, включающий стекломатрицу, армированную углеродными волокнами, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
Al2О3 | 2,7 |
В2О3 | 12,3 |
Na2O | 4,2 |
CaO | 0,3 |
SiO2 | 80,5 |
(патент США №5391213)
Недостатками известного композиционного материала являются низкая жаростойкость и повышенный коэффициент термического расширения при рабочих температурах 500-550°С.
Известные композиционные материалы могут быть использованы только для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.
Известен также композиционный материал следующего состава, мас.%:
Стекломатрица | 60-66 |
углеродный жгут | 34-40 |
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO2 | 58,9-69,3 |
В2О3 | 13,5-15 |
SiOC | 15,7-27,6 |
(патент РФ №2193539)
Недостатком указанного композиционного материала является недостаточно высокая жаростойкость при температурах выше 800°С.
Композиционный материал может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:
Углеродное волокно | 50 |
Стекломатрица | 50 |
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO2 | 81 |
В2O3 | 13 |
Al2О3 | 2 |
Na2O | 4 |
(патент США №4511663)
Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.
Недостатками керамического композиционного материала-прототипа являются низкая жаростойкость и термостойкость при температурах до 800°С, повышенное значение коэффициента термического расширения.
Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости и термостойкости материала при рабочих температурах до 800°С при снижении коэффициента термического расширения.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, Al2О3 и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит SrO, BaO, TiO2 и Al2TiO5, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
Al2O3 | 21,0-21,9 |
SrO | 4,7-19,4 |
BaO | 1,0-14,0 |
TiO2 | 11,7-12,2 |
Al2TiO5 | 1,8-6,5 |
SiO2 | остальное |
При этом преимущественное соотношение стекломатрицы и углеродного волокнистого наполнителя составляет, мас.%
Стекломатрица | 60,5-73,5 |
Углеродный волокнистый наполнитель | 26,5-39,5 |
Предлагаемый керамический композиционный материал предназначен для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой и элементов резьбового крепежа, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.
Установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу оксида стронция, оксида бария, диоксида титана и титаната алюминия, при заявленном содержании и соотношении компонентов, позволит повысить жаростойкость и термостойкость, а также снизить температурный коэффициент линейного расширения керамического композиционного материала, работающего при температурах до 800°С.
Примеры осуществления
Для получения керамического композиционного материала были приготовлены 5 композиций, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.
Пример 1
Керамический композиционный материал (табл.1, состав 1) получали по методу, совмещающему «золь-гель» технологию приготовления алюмосиликатного стекла и шликерную технологию. Тонкодисперсный порошок титаната алюминия вводили на стадии приготовления золя. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродную ленту «Кулон».
Суспензию наносили на ленту «Кулон» с одновременной прокаткой резиновым валиком и последующей выкладкой на формовочную плоскость. Полученные полуфабрикаты сушили при температуре (18-100)°С в течение 48-4 ч. Далее заготовки выкладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре до 1400°С.
Примеры 2-5 получения керамических композиционных материалов осуществляли аналогично примеру 1.
В таблице 2 представлены свойства полученных образцов предлагаемого керамического композиционного материала в сравнении с материалом-прототипом.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что предложенный керамический композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 10-15 раз, термостойкость в 3-5 раза, значительно снизить термический коэффициент линейного расширения при рабочих температурах до 800°С.
Применение предлагаемого керамического композиционного материала для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой и элементов резьбового крепежа на основе ленточных и жгутовых препрегов обеспечит увеличение ресурса и надежности этих деталей.
Предложенный керамический композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.
Таблица 1 | ||||||
Компоненты керамического композиционного материала | Содержание компонентов в образцах, мас.% | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 (прототип) | ||
Углеродный волокнистый материал | Лента «Кулон» | 26,5 | - | - | - | 50 |
Стекломатрица | Компоненты матрицы | 73,5 | 70 | 65 | 60,5 | 50 |
Al2О3 | 21,9 | 21,6 | 21,4 | 21,0 | 2 | |
SrO | 19,4 | 14,4 | 9,5 | 4,7 | - | |
ВаО | 1 | 4,8 | 9,5 | 14,0 | - | |
TiO2 | 12,2 | 12,0 | 11,9 | 11,7 | - | |
Al2TiO5 | 1,8 | 3,9 | 4,8 | 6,5 | - | |
SiO2 | остальное | остальное | остальное | остальное | 81 | |
В2О3 | - | - | - | - | 13 | |
Na2O | - | - | - | - | 4 |
Таблица 2 | |||||
Свойства композиционного материала | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 (прототип) |
Температура, °С | 800 | 800 | 800 | 800 | 800 |
Время, ч | 75 | 75 | 75 | 75 | 26 |
Убыль массы образцов после испытаний, мас.% | 2,7 | 2,9 | 2,9 | 2,8 | 35 |
ТКЛР (×1061/град) | -3,8 | -4,1 | -4,4 | -4,6 | 0,8-1,5 |
Термостойкость (режим 20↔800°С) | Более 1000 циклов | Более 1000 циклов | Более 1000 циклов | Более 1000 циклов | 300 циклов |
Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов) | отсутствуют | отсутствуют | отсутствуют | отсутствуют | отсутствуют |
1. Керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, Al2O3 и углеродный волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит SrO, BaO, TiO2 и Al2TiO5 при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
Al2O3 | 21,0-21,9 |
SrO | 4,7-19,4 |
BaO | 1,0-14,0 |
TiO2 | 11,7-12,2 |
Al2TiO5 | 1,8-6,5 |
SiO2 | остальное |
2. Керамический композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет следующий состав, мас.%:
Стекломатрица | 60,5-73,5 |
углеродный волокнистый наполнитель | 26,5-39,5 |