Керамический композиционный материал

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.

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