Патент на изобретение №2310628

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2310628 (13) C1
(51) МПК

C04B35/80 (2006.01)
C03C14/00 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 18.11.2010 – действует

(21), (22) Заявка: 2006111585/03, 10.04.2006

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

10.04.2006

(46) Опубликовано: 20.11.2007

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
RU 2193539 C2, 27.11.2002. RU 2257362 C1, 27.07.2005. DE 19504743 A, 24.08.1995. US 4511663 A, 16.04.1985. WO 93/07097 A, 15.04.1993.

Адрес для переписки:

105005, Москва, ул. Радио, 17, ФГУП “ВИАМ”

(72) Автор(ы):

Каблов Евгений Николаевич (RU),
Солнцев Станислав Сергеевич (RU),
Гращенков Денис Вячеславович (RU),
Солнцев Сергей Станиславович (RU),
Наумова Александра Сергеевна (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное унитарное предприятие “Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов” (ФГУП “ВИАМ”) (RU)

(54) КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

(57) Реферат:

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. Техническим результатом изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочих температурах до 800°С. Предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, В2О3 и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит Al2О3, 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; В2О3 – 6,0-15,0; Al2О3 – 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. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

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

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2 79,93
B2O3 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
В2O3 13
Al2O3 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
B2O3 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
B2O3 6,0-15,0
Al2O3 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 Al2O3, 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 (В2O3, Al2O3, 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
В2O3 6 8,5 11,2 15 15,0
Al2O3 12 13 15 15 15,7
SrO 9 9,5 10 10
BaO 12 13 12 15
TiO2 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.

Формула изобретения

1. Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, В2О3 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
В2О3 6,0-15,0
Al2O3 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.

Categories: BD_2310000-2310999