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.
Реферат
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 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 |
B2O3 | 12,12 |
Al2O3 | 1,93 |
MgO | 0,17 |
СаО | 0,43 |
Na2O | 3,68 |
K2O | 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.
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.%:
Стекломатрица | 50 |
Углеродное волокно | 50 |
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO2 | 81 |
В2O3 | 13 |
Al2O3 | 2 |
Na2O | 4 |
(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.%:
Стекломатрица | 60-66 |
Углеродный жгут | 34-40 |
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO2 | 58,9-69,3 |
B2O3 | 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.
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.%:
Стекломатрица | 60,5-73,5 |
Углеродный волокнистый наполнитель | 26,5-39,5 |
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO2 | 35,0-55,5 |
B2O3 | 6,0-15,0 |
Al2O3 | 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.
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 материала | Содержание компонентов в образцах, мас.% | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 (прототип) | ||
Углеродный волокнистый наполнитель | Лента "Кулон" | 26,5 | - | - | - | - |
Нить "Гранит" | - | 30 | - | - | - | |
Ткань "Урал Т22" | - | - | 35 | - | - | |
Жгут "УКНП 5000" | - | - | - | 39,5 | 35 | |
Стекломатрица | Компоненты матрицы | 73,5 | 70 | 65 | 60,5 | 65 |
SiO2 | 55,5 | 48,5 | 42,8 | 35,0 | 69,3 | |
В2O3 | 6 | 8,5 | 11,2 | 15 | 15,0 | |
Al2O3 | 12 | 13 | 15 | 15 | 15,7 | |
SrO | 9 | 9,5 | 10 | 10 | - | |
BaO | 12 | 13 | 12 | 15 | - | |
TiO2 | 5,5 | 7,5 | 9 | 10 | - |
Таблица 2 | |||||
Свойства композиционного материала | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 (прототип) |
Температура, °С | 800 | 800 | 800 | 800 | 800 |
Время, час | 75 | 75 | 75 | 75 | 26 |
Убыль массы образцов после испытаний, мас.% | 2,7 | 2,9 | 2,9 | 2,8 | 32,4 |
Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов) | Отсутствуют | Отсутствуют | Отсутствуют | Отсутствуют | Прогары |
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.%:
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 |
Al2O3 | 12,0-15,0 |
SrO | 9,0-10,0 |
BaO | 12,0-15,0 |
TiO2 | 5,5-10,0 |
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.