Керамический композиционный материал

Авторы патента:

Солнцев Сергей Станиславович (RU)

Наумова Александра Сергеевна (RU)

Гращенков Денис Вячеславович (RU)

Исаева Наталия Всеволодовна (RU)

Уварова Наталья Евгеньевна (RU)

C04B35/80 - волокна, нити, пластинки, спиральные пружины или подобные им формованные материалы

C03C14 - Составы, содержащие нестеклянный компонент, например составы, содержащие нити, волокна, пластинки, спиральные пружины или аналогичные им элементы, диспергированные в основе из стекла (составы шихты для изготовления стекла C03C 6/00; кристаллизуемая стеклокерамика C03C 10/00)

Владельцы патента RU 2359927:

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 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. Предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу и углеродный волокнистый наполнитель, стекломатрица содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: СаО 2,9-4,1, ВаО 2,8-4,3, MgO 6,5-10,1, Al₂О₃ 14,2-17,3, 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. Технический результат изобретения - повышение жаростойкости материала при рабочих температурах до 1300°С. Предложенный керамический композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

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
В₂O₃	12,12
Al₂O₃	1,93
MgO	0,17
CaO	0,43
Na₂O	3,68
К₂О	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.%:

Al₂O₃	2,7
В₂O₃	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
Al₂O₃	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 при температурах до 1300°С.

Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости материала при рабочих температурах до 1300°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, Al₂О₃, и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит CaO, BaO, MgO, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

CaO	2,9-4,1
BaO	2,8-4,3
MgO	6,5-10,1
Al₂О₃	14,2-17,3
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, применяющихся в авиационной, космической технике и специальном машиностроении.

Авторами установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу оксида кальция, оксида бария и оксида магния при заявленном содержании и соотношении компонентов позволит повысить жаростойкость керамического композиционного материала, работающего при температурах до 1300°С, за счет образования в стеклофазе кристаллических фаз, таких как цельзиан BaO·Al₂O₃·SiO₂, кальциевый анортит СаО·Al₂O₃·2SiO₂, кордиерит 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂, имеющих высокие температуры плавления.

Примеры осуществления

Для получения керамического композиционного материала были приготовлены четыре композиции, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.

Пример 1

Стеклокерамический композиционный материал (табл.1, состав 1) получали по методу, совмещающему «золь-гель» технологию приготовления алюмосиликатного стекла и шликерную технологию. 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 часов. Далее заготовки выкладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре до 1400°С.

Примеры 2-4 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 на порядок улучшить жаростойкость и повысить температуру применения на 500°С.

Применение предлагаемого керамического композиционного материала для изготовления теплонагруженных узлов и деталей 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 (прототип)
Углеродный волокнистый материал	Лента «Кулон»	26,5	35	39,5	50
Стекломатрица	Компоненты матрицы	73,5	65	60,5	50
	СаО	2,9	4,1	3,5	-
	ВаО	4,3	2,8	3,5	-
	MgO	10,1	9,6	6,5	-
	Al₂O₃	17,3	16,5	14,2	2
	SiO₂	остальное	остальное	остальное	81
	В₂O₃	-	-	-	13
Na₂O	-	-	-	4

Таблица 2
Свойства композиционного материала	1	2	3	4 (прототип)
Температура, °С	1300	1300	1300	1300
Время, час	10	10	10	10
Убыль массы образцов после испытаний, мас.%	3,2	3,2	3,0	45
Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов)	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют

1. Керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, Al₂O₃ и углеродный волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит СаО, BaO, MgO при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

СаО	2,9-4,1
BaO	2,8-4,3
MgO	6,5-10,1
Al₂O₃	14,2-17,3
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

Изобретение относится к технологии получения волокнистых керамических материалов теплозащитного и теплоизоляционного назначения, в частности для изготовления плоских и фасонных изделий для горячих металлургических цехов, летательных аппаратов, энергетических установок и др.

Композиционный материал и изделие, выполненное из него // 2352543

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей авиационно-космической техники, в наземных энергетических, нефтегазоперекачивающих, транспортных системах и новых областях общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1550°С.

Связующее для волокнистых материалов // 2352538

Изобретение относится к области производства волокнистых материалов на основе огнеупорных волокон, используемых для изготовления теплоизоляционных, звукоизоляционных и фильтрующих изделий Связующее для волокнистых материалов содержит, мас.%: кремнезоль »К3-ТМ» 10-90, стирол-акриловую эмульсию «Рузин 14 ГМ» 10-90 при соотношении плотности кремнезоля и стирол-акриловой эмульсии, равном 0,9-1,1.

Керамический композиционный материал // 2347771

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.

Композиционный материал и изделие, выполненное из него // 2310628

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.

Способ получения композиционного материала // 2304567

Изобретение относится к области получения неорганических волокнистых теплоизоляционных материалов конструкционного назначения для изделий гиперзвуковых летательных аппаратов, авиационно-космической и машиностроительной промышленности.

Связующее для теплоизоляционных волокнистых изделий // 2304565

Изобретение относится к области производства стройматериалов, в частности теплоизоляционных изделий на основе огнеупорных волокон. .

Способ получения композиционного теплоизоляционного материала и материал, изготовленный этим способом // 2300509

Теплоизоляционное изделие // 2298538

Изобретение относится к производству стройматериалов, содержащих керамические волокна и предназначенных для изготовления теплоизоляционных изделий. .

Теплозащитная система с переменной плотностью волокон // 2293718

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

Керамический композиционный материал // 2347771

Высокоэффективный фотолюминесцентный материал и способ его производства // 2325422

Композиционный материал и изделие, выполненное из него // 2310628

Композиция непрозрачного кремнезема // 2213052

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

Композиционный материал // 2193539

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

Стеклокремнезит // 2151112

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.

Стеклокремнезит // 2097344

Стеклокремнезит // 1806107

Шихта на основе стеклянного порошка для изготовления пористых фильтров // 1627318

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.

Солнцезащитное ограждение // 1265162

Изобретение относится к солнцезадитным ограждающим конструкциям и может быть использовано в строительстве. .

Стеклокерамический композиционный материал // 2412135

Изобретение относится к стеклокерамическим композиционным материалам на основе наноструктурированных стеклокерамических матриц, армированных углеродными наполнителями, для изготовления кольцевых элементов и деталей перспективной авиационно-космической техники с рабочей температурой до 1300°С, эксплуатирующихся в условиях окислительной и других агрессивных сред и испытывающих в процессе работы большие механические нагрузки