Композиционный материал и изделие, выполненное из него

Композиционный материал и изделие, выполненное из него

Реферат

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными 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 волокно	19,8-55,0

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

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	79,93
В2О3	12,12
Al2О3	1,93
MgO	0,17
CaO	0,43
Na2O	3,68
К2O	1,74

(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.

Недостатками указанного композиционного материала и изделий из него являются комплексное ухудшение свойств и низкая жаростойкость при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

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

Стекломатрица	50
Углеродное волокно	50

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	81
В2О3	13
Al2O3	2
Na2O	4

(патент США №4511663).

В качестве стекломатрицы в данном композиционном материале используется стекло "Пирекс 7740". Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных элементов двигателей морской авиации и наземных двигательных установок.

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

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является композиционный материал химического 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

SiOC имеет химический состав, мас.%:

О	2-4,7
С	27,3-30
Si	остальное

(патент РФ №2193539).

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

Недостатками композиционного материала - прототипа являются повышенные температуры начала уплотнения и формования, вызывающие чрезмерное увеличение адгезии на границе раздела "матрица-наполнитель", приводящее к охрупчиванию материала, и, как следствие, пониженные ударная вязкость, плотность и повышенная пористость. Данный материал не позволяет получать изделия сложных форм, например бандажные кольца, с необходимым уровнем физико-механических характеристик.

Технической задачей изобретения является снижение температуры начала уплотнения, снижение температуры формования на 100-200°С, повышение плотности, ударной вязкости и снижение пористости композиционного материала, позволяющие изготавливать изделия сложных форм с необходимым уровнем физико-механических характеристик.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, В₂O₃, SiOC, и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит раствор канифольной смолы, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица	35-75
Углеродный волокнистый
наполнитель	25-65

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	30-65
В2O3	2-10
SiOC	1-15
Раствор канифольной смолы	30-45

Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде нити, жгута, ленты, ткани.

Изделие выполнено из предложенного композиционного материала.

Авторами установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу раствора канифольной смолы при заявленном соотношении и содержании компонентов позволило снизить температуры начала уплотнения и формования материала на 100-200°С при увеличении плотности, ударной вязкости и снижении пористости композиционного материала и дало возможность изготавливать из него изделия сложных форм, например бандажные кольца, с необходимым уровнем физико-механических характеристик.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Пример 1

Для получения композиционного материала и изделия в виде бандажного кольца из него была приготовлена композиция (образец 1), соотношение компонентов в которой приведено в таблице 1. В качестве углеродного волокнистого наполнителя использовали углеродную ленту "Кулон".

Дисперсные частицы (содержание частиц размерами менее 10 мкм более 60%) стекломатрицы (SiO₂, В₂О₃) смешивали в течение 2-4 часов с частицами оксикарбида кремния (SiOC) и раствором канифольной смолы в фарфоровых барабанах алундовыми шарами в жидкой среде из расчета на 100 г сухой смеси 70-100 мл жидкости и 55-80 г раствора канифольной смолы. Полученной суспензией пропитывали непрерывную ленту "Кулон". Пропитанную ленту наматывали на специальную оснастку для получения полуфабриката кольца. Полученный полуфабрикат сушили при температуре 18-60°С до постоянной массы. Затем полуфабрикат укладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре выше 1200°С.

Примеры 2-4 осуществлялись аналогично примеру 1, а соотношения компонентов материала приведены в таблице 1.

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

Таблица 1
Компоненты композиционного материала	Содержание компонентов в образцах, мас.%
	1	2	3	4	5 (прототип)
	Лента "Кулон"	25				-
углеродный волокнистый наполнитель	Жгут УКН П-5000		35			35
Ткань "Урал Т-22"			45		-
	Нить "Гранит"				65	-
стекломатрица		75	65	55	35	65
SiO2	65	50	30	45	69,3
В2O3	4	8	10	2	15,0
	SiOC	1	7	15	13	15,7
Раствор канифольной смолы		30	35	45	40	-
Канифольная смола	40	50	50	60	-
Растворитель	Скипидар	60				-
Изопропиловый спирт		50			-
Ацетон			50		-
Скипидар				40	-

Таблица 2
Свойства композиционного материала	1	2	3	4	5 (прототип)
Температура начала уплотнения, °С	120	120	170	150	650
Температура формования, °С	1270	1250	1300	1300	1450
Плотность, г/см3	1,98	1,97	1,95	1,95	1,78
Пористость, %	2,9	3,4	3,1	3,4	12,8
Ударная вязкость, КДж/м2	55	60	66	70	35
Внешний вид кольцевого изделия	Без дефектов, соответствует необходимым геометрическим размерам	Трещины, утолщения

Из таблицы 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет снизить температуру начала уплотнения ˜ на 500°С, температуру формования материала на 100-200°С, снизить пористость в 3,8-4,4 раза, увеличить плотность и ударную вязкость композиционного материала и изделий из него на 9-11% и 58-100% соответственно.

Предложенный композиционный материал позволяет изготавливать из него изделия сложных форм, применяющиеся в авиационной, космической технике и машиностроении.

1. Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, В₂О₃, SiOC и углеродный волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит раствор канифольной смолы, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица	35-75
Углеродный волокнистый
наполнитель	25-65

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	30-65
В2O3	2-10
SiOC	1-15
Раствор канифольной смолы	30-45

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

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