Патент на изобретение №2257362
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
(57) Реферат:
Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями. Технический результат изобретения – увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочих температурах выше 800°С. Композиционный материал включает, мас.%: стекломатрицу 60,5-73,5 и высокомодульный углеродный волокнистый материал 26,5-39,5. Стекломатрица содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: SiO2 58,9-87,4, В2О3 2,7-15, SiOC 4,5-11,5, TiSi2 4,5-11,5, SiB4 0,9-3,7. 2 табл.
Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями, используемым, например, в качестве кольцевых деталей компрессора высокого давления. Известен композиционный материал, имеющий химический состав, мас.%: Стекломатрица стекло “Пирекс” 45,0-80,2 Углеродное волокно 19,8-55,0 стекломатрица стекло “Пирекс” имеет следующий химический состав, мас.%: SiO2 79,93 В2О3 12,12 Аl2О3 1,93 MgO 0,17 CaO 0,43 Na2O 3,68 K2O 1,74 (Химическая технология стекла и ситаллов/ под ред. Н.М.Павлушкина/ М.: Стройиздат. 1983. с.301.) Недостатком указанного композиционного материала является комплексное ухудшение свойств и низкая жаростойкость при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон. Известен композиционный материал, имеющий химический состав, маc.%: Стекломатрица 50 Углеродное волокно 50 при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%: SiO2 81 В2О3 13 Аl2О3 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 химического состава, мас.%: Стекломатрица 60-66 Углеродный жгут 34-40 при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас. %: SiO2 58,9-69,3 В2O3 13,5-15 SiOC 15,7-27,6 SiOC имеет химический химического состав, мас. %: О 2-4,7 С 27,3-30 Si остальное (патент РФ №2193539) В качестве армирующего наполнителя в данном композиционном материале используется высокопрочный углеродный жгут на основе полиакрилнитрила, а в качестве стекломатрицы – боросиликатное стекло, дополнительно содержащее оксикарбид кремния. 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, В2O3, SiOC и армирующий углеродный наполнитель, в котором в качестве армирующего углеродного наполнителя используют высокомодульный углеродный волокнистый материал, а стекломатрица дополнительно содержит TiSi2 и SiB4, при следующем соотношении компонентов, мас. %: Стекломатрица 60,5-73,5 Высокомодульный углеродный волокнистый материал 26,5-39,5 при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%: SiO2 58,9-87,4 В2O3 2,7-15 SiOC 4,5-11,5 TiSi2 4,5-11,5 SiB4 0,9-3,7 Авторами установлено, что использование в качестве армирующего углеродного наполнителя – высокомодульного углеродного волокнистого материала с модулем упругости не менее 450-500 ГПа и дополнительное содержание в стекломатрице дисилицида титана и тетраборида кремния, при заявленном соотношение 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 4 композиции, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1. В качестве высокомодульного углеродного волокнистого материала использовали углеродную ленту “Кулон”. Дисперсные частицы стекломатрицы (SiO2, В2О3) смешивали в течение 2-4 часов с частицами оксикарбида кремния (SiOC), дисилицида титана (TiSi2) и тетраборида кремния (SiB4) в фарфоровых барабанах алундовыми шарами в жидкой среде, из расчета на 100 г сухой смеси 70-100 мл жидкости. Полученную суспензию наносили на ленту “Кулон” из непрерывного высокомодульного углеродного волокнистого материала 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.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала значительно возрастает, прототип композиционного материала теряет значительную часть армирующего наполнителя в течении 26 часов при 800°С вследствие чего имеет низкую жаропрочность. Незначительная убыль массы образцов (менее 3 мас.%) подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала, предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна. Из таблицы 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 10 раз при температурах до 800°С и позволяет увеличить ресурс работы изделий из него. Предложенный композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.
Формула изобретения
Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, В2О3, SiOC и армирующий углеродный наполнитель, отличающийся тем, что в качестве армирующего углеродного наполнителя используют высокомодульный углеродный волокнистый материал, а стекломатрица дополнительно содержит TiSi2 и SiB4, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Стекломатрица 60,5-73,5 Высокомодульный углеродный волокнистый материал 26,5-39,5 при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%: SiO2 58,9-87,4 В2О3 2,7-15 SiOC 4,5-11,5 TiSi2 4,5-11,5 SiB4 0,9-3,7
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
