композиционный материал и изделие, выполненное из него

Формула изобретения

1. Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, В₂О ₃ и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит Al₂O ₃, SrO, BaO, TiO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица	60,5-73,5
Углеродный волокнистый наполнитель	26,5-39,5,

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	35,0-55,5
В2 О3	6,0-15,0
Al2O 3	12,0-15,0
SrO	9,0-10,0
BaO	12,0-15,0
TiO2	5,5-10,0

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде ленты, нити, ткани, жгута.

3. Изделие из композиционного материала, отличающееся тем, что оно выполнено из материала по п.1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных углеродными волокнистыми наполнителями, используемым для изготовления теплонагруженных деталей, например бандажных колец, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.

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)

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	79,93
B2O 3	12,12
Al2O3	1,93
MgO	0,17
СаО	0,43
Na2O	3,68
K2O	1,74

(Химическая технология стекла и ситаллов./Под ред. Н.М.Павлушкина/ М.: Стройиздат. 1983. с 301)

Известный композиционный материал может быть использован для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.

Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Известен композиционный материал, имеющий химический состав, мас.%:

Стекломатрица	50
Углеродное волокно	50

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	81
В2O 3	13
Al 2O3	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 следующего химического состава, мас.%:

Стекломатрица	60-66
Углеродный жгут	34-40

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	58,9-69,3
B2 O3	13,5-15
SiOC	15,7-27,6

SiOC имеет химический состав, мас.%:

О	2-4,7
С	27,3-30
Si	остальное

(патент РФ №2193539).

Материал-прототип может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.

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 , B₂O₃ и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит Al₂O₃, SrO, BaO, TiO₂, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекломатрица	60,5-73,5
Углеродный волокнистый наполнитель	26,5-39,5

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	35,0-55,5
B2 O3	6,0-15,0
Al2O 3	12,0-15,0
SrO	9,0-10,0
BaO	12,0-15,0
TiO2	5,5-10,0

Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде ленты, нити, ткани, жгута. Изделие выполнено из предлагаемого композиционного материала.

Авторами установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу Al₂O ₃, SrO, BaO, TiO₂, при заявленном соотношении и содержании 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 четыре композиции, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1. В качестве углеродного волокнистого наполнителя использовали углеродную ленту "Кулон", нить "Гранит", ткань "Урал Т22", жгут "УКНП 5000".

Стекломатрицу получали по методу, совмещающему "золь-гель" технологию изготовления фритты боросиликатного стекла и шликерной технологии с введением поверхностно-активных добавок, регулирующих свойства стекломатрицы. Сухую смесь дисперсных частиц (размером менее 10 мкм) компонентов стекломатрицы (В₂ O₃, Al₂O ₃, BaO, SrO, TiO₂) смешивали с коллоидным раствором силикозоля кремниевой кислоты в фарфоровом барабане с алундовыми шарами в течение 2-4 часов. Полученную суспензию наносили на углеродный волокнистый наполнитель 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.

Таблица 1
Компоненты композиционного материала		Содержание компонентов в образцах, мас.%
		1	2	3	4	5 (прототип)
Углеродный волокнистый наполнитель	Лента "Кулон"	26,5	-	-	-	-
	Нить "Гранит"	-	30	-	-	-
	Ткань "Урал Т22"	-	-	35	-	-
	Жгут "УКНП 5000"	-	-	-	39,5	35
Стекломатрица	Компоненты матрицы	73,5	70	65	60,5	65
	SiO2	55,5	48,5	42,8	35,0	69,3
	В2O 3	6	8,5	11,2	15	15,0
	Al2O 3	12	13	15	15	15,7
	SrO	9	9,5	10	10	-
	BaO	12	13	12	15	-
	TiO 2	5,5	7,5	9	10	-

Таблица 2
Свойства композиционного материала	1	2	3	4	5 (прототип)
Температура, °С	800	800	800	800	800
Время, час	75	75	75	75	26
Убыль массы образцов после испытаний, мас.%	2,7	2,9	2,9	2,8	32,4
Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов)	Отсутствуют	Отсутствуют	Отсутствуют	Отсутствуют	Прогары

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала значительно возрастает, прототип композиционного материала теряет значительную часть армирующего наполнителя в течение 26 часов при 800°С.

Незначительная убыль массы образцов (менее 3 мас.%) подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала, предотвращающего диффузию кислорода воздуха в глубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.

Из таблицы 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 15 раз при температурах до 800°С и позволяет увеличить ресурс работы изделий из него.

Предложенный композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.