способ соединения керамических и композиционных материалов

Формула изобретения

1. СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий подготовку поверхности соединяемых материалов, нанесение на подготовленную поверхность клеевой композиции, содержащей кремнийорганический компонент, порошковый наполнитель и отвердитель, отверждение композиции и ее термообработку, отличающийся тем, что используют клеевую композицию, содержащую в качестве кремнийорганического компонента поликарбосилан с мол.м. не менее 700 и полиорганосилазан с мол.м. не менее 1500, отверждение композиции осуществляют на воздухе при 100-450^oС в течение 0,5-2,5 ч, а термообработку проводят в среде азота или аргона при 700-1600^oС в течение 0,2-1,0 ч при следующем соотношении компонентов, мас.

Поликарбосилан с мол.м. не менее 700 5,0 40,0

Полиорганосилазан с мол.м. не менее 1500 15,0 30,0

Отвердитель 0,4 5,0

Порошковый наполнитель Остальное

2. Способ. по п. 1, отличающийся тем, что используют клеевую композицию, содержащую в качестве наполнителя соединение, выбранное из группы, включающей: нитрид алюминия, нитрид кремния, нитрид бора, нитрид титана, карбид кремния, карбид бора, карбид титана, оксид кремния, оксид алюминия, оксид иттрия, оксид циркония, углерод.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что используют клеевую композицию, содержащую в качестве отвердителя пероксид дикумила, бензоила, трет-бутила или лаурила.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии соединения материалов, в частности керамических и композиционных материалов с применением полимерной кремнийсодержащей композиции, и может быть использовано для соединения керамических изделий, для изготовления многослойных изделий из керамики и композитов в машиностроительной, авиакосмической, радиотехнической, автомобильной промышленности и других областях техники.

Известен способ соединения композиционных материалов, включающий укладку соединяемых элементов, заливку между элементами кремнийорганической смолы в присутствии платинового катализатора и ее отверждение (1).

Недостатком указанного способа является низкая прочность клеевого соединения и технологическая сложность способа на стадии подготовки клеевой композиции.

Наиболее близким по технической сущность и достигаемым результатам к заявляемому, является способ соединения керамических изделий из карбида кремния и композиционных материалов, включающий подготовку соединяемых поверхностей, нанесение на подготовленную поверхность клеевой композиции, содержащей 20-70% термореактивной кремнийорганической смолы, 5-30% углеродного порошка с размером частиц до 1 мкм, до 60% порошка SiC с размером частиц до 100 мкм и отвердитель, стадии отверждения и последующую термообработку при повышенной температуре (2).

Недостатком способа является низкая прочность получаемых клеевых соединений керамических материалов и относительно невысокая термостабильность клеевого шва (до 900^оС).

Целью изобретения является повышение прочности клеевых соединений керамических и композиционных материалов, увеличение термостабильности клеевого шва и расширение температурного интервала их применения.

Поставленная цель достигается тем, что способ соединения керамических и композиционных материалов включает подготовку соединяемых поверхностей, нанесение слоя полимерной клеевой композиции, содержащей поликарбосилан (5-40 мас.), полиорганосилазан (15-30 мас.), 0,4-5,0 мас. органического пероксида (пероксид дикумила, бензоила, трет-бутила, лаурила) в качестве отвердителя и порошковый наполнитель (остальное до 100 мас.), содержащий по крайней мере одно соединение из ряда нитридов (кремния, алюминия, бора, титана), карбидов (кремния, бора, титана), оксидов (алюминия кремния, иттрия, циркония) и/или углерод, отверждение композиции при 100-450^оС в течение 0,5-2,5 ч термообработку при 700-1600^оС в течение 0,2-1,0 ч.

В качестве поликарбосилана (ПКС) могут быть использованы соединения общих формул (Me₂SiCH₂)_n (RR"Si)m]_x (I)

или [МeHSiCH₂]_y (II)

ПКС-1 ПКС-2 где R,R" H, Alk, Ar, Vin где y 10-60.

n 1-20; m 0,1; x 2-50

с мол. м. не менее 700.

В качестве полиорганосилазанов (ПСЗ) могут быть использованы соединения общей формулы

[[RSi(NH)_1,5]_a [R"R⁴SiNH]_b [Me₃SiNH]_c]_z

(III) ПСЗ-3 где R, R", R⁴ H, Alk, Ph, Vin, Cl; a, b, c 0-3; z 3-10 с молекулярной массой не менее 900 и содержанием сухого остатка не менее 80% или соединения общей формулы

[[Me₂SiCH₂]_d [MeSiCH₂CH₂]_g [Si(NH)_1,5]_n [MeR⁴"SiNH]_g]_w(IV) ПСЗ-2

где R⁴" Alk, Ph; d 1-20; g 0-5; q 0-3; w 2-20, с мол.м. не менее 1500.

В качестве соединяемых керамических и композиционных материалов могут быть использованы изделия, полученные на основе оксидных или безоксидных керамических порошков, стеклопластики, углерод углеродные и другие композиционные материалы, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью. Для соединения могут быть использованы пластины, простые и сложные конструкции любых размеров.

Подготовку поверхностей соединяемых керамических и композиционных материалов проводят путем их обработки моющими средствами, спиртами и др. стандартными методами.

Получение полимерной композиции осуществляют следующим образом.

В металлический стакан, снабженный рубашкой с охлаждением и лопастной мешалкой помещают кремнийорганическое связующее: поликарбоксилан общей формулы (I) или (II) мол.м. не менее 700 (5-40 мас.), полиорганосилазан формулы (III) (мол. м. не менее 900) или (IV) (мол.м. не менее 1500) (15-30 мас.) и 0,4-5,0 мас. органического пероксида (пероксид дикумила, бензоила, третбутила, лаурила), перемешивают в течение 20-30 мин, затем к органической части композиции в течение 1 ч при постоянном интенсивном перемешивании порциями добавляют до 100 мас. порошковый наполнитель, в качестве которого используют соединения из группы, содержащей нитриды, карбиды, оксиды (нитрид алюминия, бора, кремния, титана, карбид кремния, бора, титана, оксид алюминия, кремния, иттрия, циркония), и/или углеродный порошок. Указанные наполнители не ограничивают возможность использования ряда других известных тугоплавких соединений и порошков. Порошковый наполнитель может быть использован с размером частиц не более 100 мкм (преимущественно до 50 мкм.) Гомогенизацию клеевой композиции проводят в шаровой мельнице (4-5 ч со скоростью около 1000 об/мин). На подготовленные поверхности керамических или композиционных материалов полученную полимерную клеевую композицию наносят (в зависимости от консистенции) с помощью шпателя, кисти или распылителя равномерным слоем. Путем наложения фиксируют соединяемые поверхности друг относительно друга с помощью механических зажимов. Затем осуществляют термообработку подготовленных и закрепленных изделий при 100-450^оС на воздухе. По окончании механические зажимы снимают и проводят термообработку при 700-1600^оС в атмосфере инертного газа (азот, аргон, гелий).

П р и м е р 1. Соединение пластин нитрида кремния.

Поверхности пластин (100х10х10 мм) из нитрида кремния обрабатывают моющим средством, спиртом и сушат при 50-60^оС. На подготовленную поверхность наносят кисточкой полимерную клеевую композицию равномерным слоем 0,5-1 мм состава, мас.

Поликарбосилан ПКС-1 с мол.м. 850 25,0

Полиорганосилазан ПСЗ-1 с мол.м. 1260 25,0 Перекись дикумила 2,0 Нитрид кремния 48,0 Закрепляют пластины внахлест на 10 мм друг относительно друга зажимами и проводят их термообработку в две стадии. На первой стадии закрепленные пластины (давление около 0,5 кгс/см²) помещают в предварительно нагретую до 200^оС муфельную печь и выдерживают в течение 1 ч на воздухе. При этих условиях происходит отверждение клеевого состава, что обеспечивает композиции необходимую когезионную прочность сцепления пластин. На второй стадии температуру обработки повышают до 1300^оС и выдерживают в течение 1,0 ч в среде азота. Прочность полученного соединения на сдвиг составила 520 МПа при 20^оС.

Этот и другие примеры соединения керамических и композиционных материалов приведены в таблице с указанием состава клеевой композиции, режимов отверждения, термообработки и прочности полученного соединения на сдвиг.

Как следует из данных, представленных в таблице, изобретение позволяет получать клеевые соединения керамических и композиционных материалов, обладающие высокими механо-прочностными характеристиками со значением прочности на сдвиг 140-700 МПа. Это объясняется тем, что в пpедлагаемом способе соединения керамических и композиционных материалов совокупность состава клеевой композиции и режимов термообработки соединяемых материалов приводит к образованию с высоким выходом (не менее 90 мас.) неорганического остатка, представляющего собой сложную гетерогенную смесь нитрида и карбида кремния с порошковым наполнителем. При этом происходит диффузионное проникновение элементов клеевого состава и продуктов его термодеструкции через поверхность соединяемых материалов, что еще более усиливается за счет чисто физических процессов в случае материалов с открытой пористостью. Высокие эксплуатационные свойства клеевых конструкций остаются практически постоянными в широком интервале температуре от 20 до 1600^оС.

Способ не требует сложной спецподготовки соединяемых поверхностей, характеризуется технологичностью нанесения клеевой композиции и непродолжительным временем всего процесса, что в сочетании с доступностью применяемых компонентов позволяет использовать предлагаемый способ соединения керамических композиционных материалов практически в любых отраслях промышленности.