Композиционный материал - RU2257362C1
Код документа: RU2257362C1
Описание
Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями, используемым, например, в качестве кольцевых деталей компрессора высокого давления.
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.)
стекломатрица стекло “Пирекс” имеет следующий химический состав, мас.%:
SiO2 79,93
В2О3 12,12
Аl2О3 1,93
MgO 0,17
CaO 0,43
Na2O 3,68
K2O 1,74
(Химическая технология стекла и ситаллов/ под ред. Н.М.Павлушкина/ М.: Стройиздат. 1983. с.301.)
Недостатком указанного композиционного материала является комплексное ухудшение свойств и низкая жаростойкость при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.
Известен композиционный материал, имеющий химический состав, маc.%:
Стекломатрица 50
Углеродное волокно 50
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO2 81
В2О3 13
Аl2О3 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 химического состава, мас.%:
Стекломатрица 60-66
Углеродный жгут 34-40
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас. %:
SiO2 58,9-69,3
В2O3 13,5-15
SiOC 15,7-27,6
SiOC имеет химический химического состав, мас. %:
О 2-4,7
С 27,3-30
Si остальное
(патент РФ №2193539)
В качестве армирующего наполнителя в данном композиционном материале используется высокопрочный углеродный жгут на основе полиакрилнитрила, а в качестве стекломатрицы - боросиликатное стекло, дополнительно содержащее оксикарбид кремния.
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, В2O3, SiOC и армирующий углеродный наполнитель, в котором в качестве армирующего углеродного наполнителя используют высокомодульный углеродный волокнистый материал, а стекломатрица дополнительно содержит TiSi2 и SiB4, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Стекломатрица 60,5-73,5
Высокомодульный углеродный
волокнистый материал 26,5-39,5
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO2 58,9-87,4
В2O3 2,7-15
SiOC 4,5-11,5
TiSi2 4,5-11,5
SiB4 0,9-3,7
Авторами установлено, что использование в качестве армирующего углеродного наполнителя - высокомодульного углеродного волокнистого материала с модулем упругости не менее 450-500 ГПа и дополнительное содержание в стекломатрице дисилицида титана и тетраборида кремния, при заявленном соотношение 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 4 композиции, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1. В качестве высокомодульного углеродного волокнистого материала использовали углеродную ленту “Кулон”.
Дисперсные частицы стекломатрицы (SiO2, В2О3) смешивали в течение 2-4 часов с частицами оксикарбида кремния (SiOC), дисилицида титана (TiSi2) и тетраборида кремния (SiB4) в фарфоровых барабанах алундовыми шарами в жидкой среде, из расчета на 100 г сухой смеси 70-100 мл жидкости. Полученную суспензию наносили на ленту “Кулон” из непрерывного высокомодульного углеродного волокнистого материала 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.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала значительно возрастает, прототип композиционного материала теряет значительную часть армирующего наполнителя в течении 26 часов при 800°С вследствие чего имеет низкую жаропрочность.
Незначительная убыль массы образцов (менее 3 мас.%) подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала, предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.
Из таблицы 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 10 раз при температурах до 800°С и позволяет увеличить ресурс работы изделий из него.
Предложенный композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.
Реферат
Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями. Технический результат изобретения - увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочих температурах выше 800°С. Композиционный материал включает, мас.%: стекломатрицу 60,5-73,5 и высокомодульный углеродный волокнистый материал 26,5-39,5. Стекломатрица содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: SiO2 58,9-87,4, В2О3 2,7-15, SiOC 4,5-11,5, TiSi2 4,5-11,5, SiB4 0,9-3,7. 2 табл.
