композиционный материал на основе глинистых масс и металлического наполнителя

Формула изобретения

Металлокомпозиционный материал, содержащий глинистую составляющую и алюминиевый наполнитель, отличающийся тем, что дополнительно содержит поверхностно-активное вещество и хлорид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Глинистая составляющая	69,5-94,5
Алюминиевый наполнитель	5,0-30,0
Хлорид алюминия	0,3-0,4
Поверхностно-активное вещество	0,1-0,2

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к композиционным материалам, используемым в машиностроении, химии, энергетике, аэрокосмической и автомобильной промышленности, для изготовления изделий, испытывающих ударные, динамические, сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивных сред и температуры благодаря их высокой прочности, малому удельному весу и возможности продолжительного срока службы.

В большинстве случаев в качестве металлокомпозиционных материалов широкого применения используются керметы, содержащие корунд, карбиды, нитриды, карбонитриды, их смеси в качестве матрицы и хром или сплав хрома с молибденом, кобальт, никель, железо или их сплавы в качестве металлического наполнителя [Химическая технология керамики и огнеупоров. / Под ред. П.П.Будникова. - М.: "Издательство литературы по строительству", - 1972, - 552 с.].

Недостатком известных металлокерамических материалов (керметов различного состава) являются высокие объемная масса, стоимость металлического наполнителя и керамической составляющей, температура обжига.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является металлокерамический материал, включающий порошок оксида алюминия и измельченную стружку алюминиевого сплава [Пат. РФ 2202643, МПК С22С 1/05. Способ получения композиционного материала из алюминиевого сплава (его вариант) и композиционный материал. / А.А.Аксенов, В.С.Золоторевский, А.Н.Солонин, В.К.Портной; Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет); №2001126240/02; Заявл. 26.09.01, Опубл. 20.04.03.].

Недостатком данного композиционного материала являются большая объемная масса, невысокие прочностные характеристики и его дороговизна.

Изобретение направлено на повышение прочностных характеристик при меньшей объемной массе, а также удешевление композиционного материала.

Это достигается тем, что металлокерамический материал, содержащий глинистую составляющую и алюминиевый наполнитель, согласно предлагаемому решению дополнительно содержит поверхностно-активное вещество и хлорид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

глинистая составляющая	69,5-94,5
алюминиевый наполнитель	5,0-30,0
хлорид алюминия	0,3-0,4
поверхностно-активные вещества	0,1-0,2

Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что заявляемый композиционный материал дополнительно содержит хлорид алюминия и поверхностно-активное вещество в предложенных авторами количественных соотношениях. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

В результате сравнения заявляемого технического решения не только с аналогами, но и с другими техническими решениями в данной области не обнаружено использования поверхностно-активных веществ и хлорида алюминия при изготовлении композиционных материалов на основе глинистых масс и алюминиевого наполнителя, при этом повышение прочностных свойств композита является неочевидным, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

В качестве глинистой составляющей могут использоваться каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые глины и другие глинистые компоненты, имеющие следующий химический состав (см. табл.1):

Таблица 1
Химический состав глинистой составляющей
Показатель	SiO2	Al2О3	Fe2О 3	TiO2	K2O	CaO+MgO	П.п.п.
Значение, %	25-45	35-65	0,3-1,2	0,5-1,6	0,9-2,3	0,3-4,8	5,0-13,6

В качестве алюминиевого наполнителя могут использоваться как чистый алюминий, так и алюминиевые сплавы с металлами, близкими по температуре плавления.

Использование алюминия в качестве наполнителя при производстве композиционного материала обусловлено высокой пластичностью, низкой температурой плавления и высокими технологическими свойствами. Кроме того, имеется известное химическое сродство наполнителя с глинистой составляющей, содержащей Al ₂O₃.

Пределы содержания наполнителя определяются следующим: при содержании алюминия более 30 мас.% происходят значительные выплавы алюминия из материала в процессе его изготовления, сопровождающиеся разрыхлением структуры прослойками нестабильного оксида алюминия. Снижение содержания металла менее 5 мас.% приводит к ухудшению прочностных характеристик композиционного материала.

В качестве поверхностно-активных веществ могут использоваться неорганические кислоты, щелочи, соли неорганических кислот.

Введение от 0,3-0,4 мас.% хлорида алюминия и 0,1-0,2 мас.% поверхностно-активных веществ достаточно для протекания физико-химических реакций в композите. При большем содержании этих компонентов увеличивается стоимость композиционного материала, при меньшем содержании будет недостаточно активирована поверхность глинистой составляющей, что приводит к ухудшению прочностных свойств. Известно, что введение аналогичных поверхностно-активных веществ в композиционные материалы с высоким содержанием алюминиевого наполнителя способствуют образованию связей между составляющими компонентами за счет механической и физической адгезии. Применение хлорида алюминия и поверхностно-активных веществ способствует образованию известных связей в композите за счет механической адгезии, одновременно с этим происходит образование новых физико-химических связей между компонентами смеси. Образование последних является неочевидным, так как не вытекает из уровня техники. Таким образом, авторами впервые установлена неизвестность поведения хлорида алюминия в сочетании с поверхностно-активными веществами в заявляемых количественных соотношениях, в результате чего возрастают прочностные характеристики композиционного материала при снижении его объемной массы.

Количественное содержание компонентов предлагаемого и известных материалов приведено в табл.2.

Пример 1. 10 г порошка алюминия дисперсностью 100 мкм тщательно перемешивали с 40 г обогащенного каолина Глуховецкого месторождения дисперсность 64 мкм в шаровой мельнице в течение 20 мин. Полученный материал увлажняли 1,6 г 10% водного раствора AlCl₃ с одновременным введением 0,4 г 10% поверхностно-активного вещества - водного раствора триполифосфата натрия (в пересчете на сухое вещество хлорид алюминия составляет 0,4%, поверхностно-активное вещество составляет 0,1%). Полученную смесь закладывали в пресс-форму высотой 8 см, диаметром 2 см и прессовали методом полусухого прессования под удельным давлением 6-7 МПа. Полученный материал-сырец сушили до постоянной массы и подвергали термообработке в муфельной печи до температуры 1300°С (необходим плавный подъем с режимом 10°С/мин до температуры 200°С, затем необходима 30-минутная выдержка при данной температуре для удаления химически связанной воды и 30-минутная выдержка при температуре 580°С для полного перехода -модификации кварца в -форму), выдерживали в течение 60 мин и отжигали в течение 14 часов до полного его остывания. Образец композиционного металлокерамического материала имел объемную массу 2,55 г/см³ , прочность на сжатие 265 МПа, водопоглощение 0,9%.

Для получения сравнительных данных параллельно проводились аналогичные эксперименты с другими количественными соотношениями компонентов. Данные по количественному содержанию компонентов приведены в табл.2. Результаты физико-механических испытаний представлены в табл.3.

Таблица 2 Количественное содержание компонентов в материалах
Компонент	Содержание, мас.%
	Предлагаемый материал											Аналог (кермет)	Прототип
	1	2	3	4	5	6	7	8	9		10
Корунд	-	-	-	-	-	-	-	-		-	-	51	25
Каолиновая глина	79,5	94,5	84,5	69,5	-	-	-	-		79,5	-	-	-
Монтмориллонитовая глина	-	-	-	-	94,5	84,5	79,5	69,5		-	79,5	-	-
Алюминиевый наполнитель	20	5	15	30	5	15	20	30		20	20	6	75
Модификатор AlCl3	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4		0,3	0,3	-	-
Триполифосфат натрия	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1		0,2	0,2	-	-
Порошок Cr	-	-	-	-	-	-	-	-		-	-	43	-

Таблица 3 Свойства металлокомпозиционных материалов.
Показатель	Предлагаемый материал										Аналог (кермет)	Прототип
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Объемная масса, г/см 3	2,55	2,51	2,52	2,58	2,52	2,54	2,57	2,61	2,53	2,55	4,63	3,65
Предел прочности при сжатии, МПа	265	225	253	201	192	208	217	186	263	215	224	160
Усадка при обжиге, %	8,7	9,5	9,0	8,2	6,9	6,7	6,2	5,8	8,8	6,4	14,5	нет данных
Термостойкость циклов при 20-1350°С	22	17	17	19	18	19	25	20	22	25	10	25
Водопоглощение, %	0,9	0,7	0,8	1,9	6,0	6,2	6,4	7,0	0,9	6,4	0,5	нет данных

Из табл.3 видно, что предлагаемый металлокомпозиционный материал обладает более высокими прочностными показателями при значительно меньшей объемной массе по сравнению с известными решениями, что позволяет существенно расширить область его применения. Удешевление композиционного материала происходит за счет значительного уменьшения энергозатрат на его производство, применения более дешевой глинистой составляющей.