Патент на изобретение №2347771

(54) КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

(57) Реферат:

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокристаллических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой, таких как стойки, проставки переходных устройств, элементы резьбового крепежа и т.д. на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной, космической технике и в машиностроении. Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости и термостойкости материала при рабочих температурах до 800°С при снижении коэффициента термического расширения. Предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу и углеродный волокнистый наполнитель при следующем соотношении компонентов в мас.%: стекломатрица – 60,5-73,5, углеродный волокнистый наполнитель – 26,5-39,5, причем стекломатрица содержит следующие компоненты в мас.%: Al₂O₃ – 21,0-21,9; SrO – 4,7-19,4; BaO – 1,0-14,0; TiO₂ – 11,7-12,2, Al₂TiO₅ – 1,8-6,5, SiO₂ – остальное. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокристаллических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой таких как стойки, проставки переходных устройств, элементы резьбового крепежа и т.д. на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной, космической технике и в машиностроении.

Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

(The mechanical properties of carbon

Journal of Materials Science

7 (1972) P.1454

Недостатком указанного керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при воздействии температур выше 450°С в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Известен композиционный материал, включающий стекломатрицу, армированную углеродными волокнами, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

(патент США №5391213)

Недостатками известного композиционного материала являются низкая жаростойкость и повышенный коэффициент термического расширения при рабочих температурах 500-550°С.

Известные композиционные материалы могут быть использованы только для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.

Известен также композиционный материал следующего состава, мас.%:

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

(патент РФ №2193539)

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

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

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

(патент США №4511663)

Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.

Недостатками керамического композиционного материала-прототипа являются низкая жаростойкость и термостойкость при температурах до 800°С, повышенное значение коэффициента термического расширения.

Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости и термостойкости материала при рабочих температурах до 800°С при снижении коэффициента термического расширения.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, Al₂О₃ и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит SrO, BaO, TiO₂ и Al₂TiO₅, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

При этом преимущественное соотношение стекломатрицы и углеродного волокнистого наполнителя составляет, мас.%

Предлагаемый керамический композиционный материал предназначен для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой и элементов резьбового крепежа, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.

Установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу оксида стронция, оксида бария, диоксида титана и титаната алюминия, при заявленном содержании и соотношении компонентов, позволит повысить жаростойкость и термостойкость, а также снизить температурный коэффициент линейного расширения керамического композиционного материала, работающего при температурах до 800°С.

Примеры осуществления

Для получения керамического композиционного материала были приготовлены 5 композиций, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.

Пример 1

Керамический композиционный материал (табл.1, состав 1) получали по методу, совмещающему «золь-гель» технологию приготовления алюмосиликатного стекла и шликерную технологию. Тонкодисперсный порошок титаната алюминия вводили на стадии приготовления золя. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродную ленту «Кулон».

Суспензию наносили на ленту «Кулон» с одновременной прокаткой резиновым валиком и последующей выкладкой на формовочную плоскость. Полученные полуфабрикаты сушили при температуре (18-100)°С в течение 48-4 ч. Далее заготовки выкладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре до 1400°С.

Примеры 2-5 получения керамических композиционных материалов осуществляли аналогично примеру 1.

В таблице 2 представлены свойства полученных образцов предлагаемого керамического композиционного материала в сравнении с материалом-прототипом.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что предложенный керамический композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 10-15 раз, термостойкость в 3-5 раза, значительно снизить термический коэффициент линейного расширения при рабочих температурах до 800°С.

Применение предлагаемого керамического композиционного материала для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой и элементов резьбового крепежа на основе ленточных и жгутовых препрегов обеспечит увеличение ресурса и надежности этих деталей.

Предложенный керамический композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.

Таблица 2
Свойства композиционного материала	1	2	3	4	5 (прототип)
Температура, °С	800	800	800	800	800
Время, ч	75	75	75	75	26
Убыль массы образцов после испытаний, мас.%	2,7	2,9	2,9	2,8	35
ТКЛР (×1061/град)	-3,8	-4,1	-4,4	-4,6	0,8-1,5
Термостойкость (режим 20800°С)	Более 1000 циклов	Более 1000 циклов	Более 1000 циклов	Более 1000 циклов	300 циклов
Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов)	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют

Формула изобретения

1. Керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, Al₂O₃ и углеродный волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит SrO, BaO, TiO₂ и Al₂TiO₅ при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

2. Керамический композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет следующий состав, мас.%: