Керамический композиционный материал

Керамический композиционный материал

Реферат

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.

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