Керамический композиционный материал
Владельцы патента RU 2397969:
Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С. Технический результат изобретения - увеличение термостойкости и жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1400° и сохранение указанных свойств в течение длительного времени (свыше 100 ч), что позволяет повысить надежность и ресурс изделий. Предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, которая дополнительно содержит диоксид кремния, карбид бора и борный ангидрид, при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%: Si 20-30, C 25-35, SiB4 1,6-1,8, SiO2 4-5, B4C 1-3, B2O3 0,5-2, SiC - остальное. 2 табл.
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С.
Известен керамический 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).
Керамический композиционный материал может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах, на воздухе при температуре 900°С.
Известен также керамический композиционный материал следующего химического состава, мас.%:
| Углеродное волокно | 50 |
| Стекломатрица | 50 |
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
| SiO2 | 81 |
| В2О3 | 13 |
| Al2O3 | 2 |
| Na2O | 4 |
(патент США №4511663).
Известный керамический композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.
К недостаткам этих материалов следует отнести невысокую термостойкость (стойкость к циклическим нагревам) и жаростойкость при температуре 1400°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 |
| C | 25-40 |
| SiB4 | 2-6 |
| SiC | остальное |
(патент РФ №2297992).
Недостатками керамического композиционного материала-прототипа являются недостаточная термостойкость и жаростойкость (убыль массы) при длительной эксплуатации материала при температуре 1400°С.
Следует отметить, что в условиях окислительной среды изменение (на 50-100°С) рабочей температуры керамических композиционных материалов, матрица которых содержит борсодержащие компоненты, оказывает значительное влияние на процесс окисления и количество образуемой боросиликатной стеклосвязки, что приводит к изменению эксплуатационных характеристик материала в процессе длительной эксплуатации.
Технической задачей изобретения является увеличение термостойкости и жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1400° в течение длительного времени (свыше 100 ч).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, которая дополнительно содержит диоксид кремния, карбид бора и борный ангидрид, при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
| Si | 20-30 |
| С | 25-35 |
| SiB4 | 1,6-1,8 |
| SiO2 | 4-5 |
| В4С | 1-3 |
| В2О3 | 0,5-2 |
| SiC | остальное |
Авторами установлено, что дополнительное введение в матрицу диоксида кремния, карбида бора, борного ангидрида при заявленных соотношении и содержании компонентов приводит к образованию при 1400°С в окислительной среде достаточного количества вязкой защитной боросиликатной стеклосвязки, обладающей способностью релаксировать термоупругие напряжения и препятствующей диффузии кислорода в объем материала, что повышает его термостойкость и жаростойкость.
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.
Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB4) и карбида бора (В4С) 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.
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем в системе SiO2-В2О3 с промежуточной сушкой на воздухе в течение 24 ч.
Свойства предлагаемого керамического композиционного материала и материала-прототипа приведены в таблице 2.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что термостойкость предлагаемого керамического композиционного материала в ~2,5 раза выше, чем у материала-прототипа. Привес массы материала при испытаниях на жаростойкость подтверждает образование защитной боросиликатной стеклосвязки. Жаростойкость предлагаемого керамического композиционного материала, в мас.%: 100 ч - 1,8÷2,1; 200 ч - 2,2÷2,7; 300 ч - 2,8÷2,9; 400 ч - 3,2÷3,5, в то же время у материала-прототипа наблюдается убыль массы и разрушение после 100 ч испытаний при 1400°С вследствие окисления углеродного наполнителя.
Таким образом, применение предлагаемого керамического композиционного материала с повышенной термостойкостью и жаростойкостью при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых длительное время в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С, позволяет повысить надежность и ресурс изделий.
| Таблица 1 | ||||
| Наименование компонентов | Состав по примерам, мас.% | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 прототип | |
| Матрица: | ||||
| Si | 20 | 25 | 30 | 30 |
| C | 35 | 30 | 25 | 30 |
| SiB4 | 1,8 | 1,7 | 1,6 | 4 |
| SiO2 | 5 | 4,5 | 4 | - |
| B4C | 3 | 2 | 1 | - |
| B2O3 | 2 | 1,5 | 0,5 | - |
| SiC | ост. | ост. | ост. | ост. |
| Таблица 2 | |||||
| № п/п | Свойства | Предлагаемые составы | Прототип | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||
| 1. | Термостойкость, цк, 1400°С↔20°С, охлаждение на воздухе | 100 | 105 | 100 | 40 |
| 2. | Жаростойкость, мас.%, 1400°С | ||||
| 100 ч | 1,8 | 2,1 | 1,9 | -2,5 разрушение образца | |
| 200 ч | 2,2 | 2,6 | 2,7 | разрушение образца | |
| 300 ч | 2,9 | 2,8 | 2,9 | -«- | |
| 400 ч | 3,3 | 3,2 | 3,5 | -«- |
Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит диоксид кремния, карбид бора и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
| Si | 20-30 |
| C | 25-35 |
| SiB4 | 1,6-1,8 |
| SiO2 | 4-5 |
| B4C | 1-3 |
| B2O3 | 0,5-2 |
| SiC | остальное |
