керамический композиционный материал

Формула изобретения

Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит диоксид кремния и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

Si	20-30
С	25-35
SiB 4	0,1-1,5
SiO2	6-9
В2O3	3-9
SiC	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей рабочих аппаратов газовых турбин, газоходов энергетических агрегатов и др., работающих при температуре 1350°С.

Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:

Стекломатрица	60-66
углеродный жгут	34-40

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	58,9-69,3
В2 O3	13,5-15
SiOC	15,7-27,6

(патент РФ № 2193539).

Композиционный материал может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.

Недостатком указанного композиционного материала является недостаточно высокая жаростойкость при температурах выше 800°С.

Известен композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, состоящую из карбида кремния, бора и пироуглерода, распределенного в ее объеме и на поверхности материала при следующем соотношении компонентов в матрице, мас.%:

SiC	10-50
В	0,5-1,2
С (пироуглерод)	остальное

(патент РФ № 2203218).

Композиционный материал может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах и на воздухе при температуре 900°С в течение 1 часа.

Недостатком композиционного материала и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1350°С на воздухе.

Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:

Углеродное волокно	50
Стекломатрица	50

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	81
В2 O3	13
Аl2 O3	2
Na2 O	4

(патент США № 4511663).

Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.

Недостатком керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при температуре 1350°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

Si	20-35
С	25-40
SiB 4	2-6
SiC	остальное

(патент РФ № 2297992).

Керамический композиционный материал-прототип может быть использован при изготовлении, например, уплотнительных колец газо- и нефтеперекачивающих станций, втулок, клапанов теплообменников, рекуператоров, работающих в агрессивных средах и на воздухе при 1500°С.

Недостатком прототипа является низкая жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов), что делает данный керамический композиционный материал неработоспособным в условиях эксплуатации.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов).

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при этом матрица дополнительно содержит диоксид кремния и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

Si	20-30
С	25-35
SiB 4	0,1-1,5
SiO2	6-9
В2О3	3-9
SiC	остальное

Авторами установлено, что введение в матрицу диоксида кремния и борного ангидрида при заявленных соотношениях и содержании компонентов приводит к образованию при температурах 1350°С при воздействии кислорода воздуха боросиликатной стеклосвязки, обеспечивающей самозалечивание (закупорку) возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., препятствующей диффузии кислорода в объем материала и деградации углеродного волокна, и, тем самым, повышает жаростойкость керамического композиционного материала при воздействии рабочей температуры 1350°С в течение длительного времени.

Примеры осуществления

Для получения керамического композиционного материала были приготовлены композиции предлагаемого материала (1-3) и материала-прототипа (4), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.

Карбид кремния, кремний, углерод и тетраборид кремния - промышленно выпускаемые порошки. Перед смешиванием компонентов их предварительно измельчают до получения частиц размером менее 40 мкм. Поликомпонентный золь в системе SiO₂-B ₂O₃ получают путем жидкофазного гидролиза в кислой среде водно-спиртового раствора тетраэтоксисилана (ТЭОС) в присутствии борной кислоты.

Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB₄) и углеродными волокнами в полиэтиленовых барабанах. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.

Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температуре 120-150°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1400-1450°С.

После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем системы SiO₂-В ₂O₃ с промежуточными сушками на воздухе.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого керамического композиционного материала выше по сравнению с материалом-прототипом, который теряет при обработке часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1350°С в течение 100 часов.

Привес массы образцов (0,9-3,2 мас.%), связанный с образованием боросиликатной стеклосвязки при нагревах на воздухе при температуре 1350°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов керамического композиционного материала в течение длительного времени (до 500 часов), предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.

Таким образом, применение предлагаемого керамического композиционного материала в теплонагруженных узлах и деталях газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1350°С в течение длительного времени и, соответственно, повысить надежность и ресурс изделий.

Таблица 1
Наименование компонентов	Состав по примерам, мас.%
1	2	3	4 прототип
Матрица:
Si	20	25	30	30
С	35	30	25	30
SiB 4	1,5	0,8	0,1	4
SiO2	9	7	6	-
В 2O3	6	3	9	-
SiC	ост.	ост.	ост.	ост.

Таблица 2
Параметры испытаний образцов на жаростойкость	Изменение массы образцов после испытаний на жаростойкость, мас.%
Температура, °С	Время, ч	1	2	3	4 прототип
1350	100	1,4	0,9	1,6	-2,3 разрушение образца
200	2,1	1,6	2,3	разрушение образца
300	2,8	2,1	2,7	-«-
400	3,1	2,6	3,2	-«-
500	2,9	2,3	2,8	-«-