композиционный материал

Формула изобретения

1. Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂ и В₂О₃, и армирующий высокопрочный углеродный жгут, изготовленный на основе полиакрилнитрила, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит SiOC, при следующем соотношении компонентов, 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

2. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что SiOC имеет состав, мас. %:

О - 2-4,7

С - 27,3-30

Si - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями.

Известен композиционный материал [1], имеющий химический состав, мас.%:

Стекло "Пирекс" - 45,0-80,2

Углеродное волокно - 19,8-55,0

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы [2], мас.%:

SiO₂ - 79,93

B₂O₃ - 12,12

Аl₂O₃ - 1,93

МgO - 0,17

СаO - 0,43

Nа₂O - 3,68

K₂O - 1,74

Недостатком этого материала является комплексное ухудшение прочности при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип [3], является композиционный материал химического состава, мас.%:

Стекломатрица - 50-80

Углеродное волокно - 20-50

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO₂ - 90

B₂O₃ - 9,6

Аl₂O₃ - 0,4

Недостатками указанного материала являются низкая фазовая термостабильность, вызванная кристаллизацией стекломатрицы такого типа, с образованием кристобалита как на стадии изготовления детали, так и во время ее эксплуатации при температурах выше 500^oС, низкий уровень рабочих температур (до 700^oС) и низкий уровень разрушающего напряжения при изгибе при температурах выше 500^oС.

Технической задачей изобретения является улучшение фазовой термостабильности и увеличение уровня разрушающего напряжения при изгибе, при увеличении уровня рабочих температур выше 700^oС.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, B₂O₃ и армирующий высокопрочный углеродный жгут на основе полиакрилнитрила, а стекломатрица дополнительно содержит SiOС, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица - 60-66

Указанный жгут - 34-40

при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

SiO₂ - 58,9-69,3

B₂O₃ - 13,5-15

SiOС - 15,7-27,6

SiOС имеет состав, мас.%:

О - 2-4,7

С - 27,3-30

Si - Остальное

Авторами установлено, что содержание в стекломатрице оксикарбида кремния, при предлагаемом соотношение компонентов, позволит повысить температуру эксплуатации изделий из данного материала, приведет к улучшению фазовой термостабильности и увеличит уровень разрушающего напряжения при изгибе при увеличении рабочей температуры выше 700^oС.

Пример осуществления

Дисперсные частицы стекломатрицы (SiO₂, B₂O₃) с размерами 5-10 мкм смешивают в течение 2-4 ч с частицами оксикарбида кремния (размер частиц 10-20 мкм) в фарфоровых барабанах алундовыми шарами в среде золя диоксида кремния (содержание SiO₂ до 25 мас.%), из расчета на 100 г сухой смеси 70-100 мл золя диоксида кремния. Полученным шликером матричного связующего пропитывают высокопрочные жгуты непрерывного углеродного армирующего наполнителя на основе полиакрилнитрила с их одновременной намоткой на барабан или выкладкой на формовочную плоскость в направлении 0^o. Полученные полуфабрикаты нарезают, производят укладку слоев с заданной ориентацией и сушат при температуре 18-25^oС до постоянной массы. Полученные заготовки укладывают в графитовые пресс-формы и подвергают горячему прессованию.

В табл. 1 и 2 представлены соответственно 4 состава и свойства полученных образцов композиционного материала в сравнении с прототипом.

Из табл. 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет улучшить фазовую термостабильность в 10-15 раз (устранить возникновение фазы кристобалита в стеклокерамической матрице), повысить уровень разрушающего напряжения при изгибе при увеличении рабочей температуры на 100^oС (до 800^oС).

Предложенный композиционный материал содержит экологически-, пожаро- и взрывобезопасные компоненты.

Источники информации

1. D.C. Phillips, R.A. Sambell, D.H. Bowen. The mechanical properties of carbon fiber reinforced Pyrex glass. // Journal of Materials Science 7 (1972). P.1454-1464.

2. Химическая технология стекла и ситаллов. /Под ред.Н.М. Павлушкина - М.: Стройиздат, 1983, с. 301.

3. Заявка DE 19504743 A1.