Патент на изобретение №2397969

(54) КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

(57) Реферат:

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С. Технический результат изобретения – увеличение термостойкости и жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1400° и сохранение указанных свойств в течение длительного времени (свыше 100 ч), что позволяет повысить надежность и ресурс изделий. Предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, которая дополнительно содержит диоксид кремния, карбид бора и борный ангидрид, при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%: Si 20-30, C 25-35, SiB₄ 1,6-1,8, SiO₂ 4-5, B₄C 1-3, B₂O₃ 0,5-2, SiC – остальное. 2 табл.

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С.

Известен керамический 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.%:

(патент РФ 2203218).

Керамический композиционный материал может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах, на воздухе при температуре 900°С.

Известен также керамический композиционный материал следующего химического состава, мас.%:

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

(патент США 4511663).

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

К недостаткам этих материалов следует отнести невысокую термостойкость (стойкость к циклическим нагревам) и жаростойкость при температуре 1400°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.%:

(патент РФ 2297992).

Недостатками керамического композиционного материала-прототипа являются недостаточная термостойкость и жаростойкость (убыль массы) при длительной эксплуатации материала при температуре 1400°С.

Следует отметить, что в условиях окислительной среды изменение (на 50-100°С) рабочей температуры керамических композиционных материалов, матрица которых содержит борсодержащие компоненты, оказывает значительное влияние на процесс окисления и количество образуемой боросиликатной стеклосвязки, что приводит к изменению эксплуатационных характеристик материала в процессе длительной эксплуатации.

Технической задачей изобретения является увеличение термостойкости и жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1400° в течение длительного времени (свыше 100 ч).

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

Авторами установлено, что дополнительное введение в матрицу диоксида кремния, карбида бора, борного ангидрида при заявленных соотношении и содержании компонентов приводит к образованию при 1400°С в окислительной среде достаточного количества вязкой защитной боросиликатной стеклосвязки, обладающей способностью релаксировать термоупругие напряжения и препятствующей диффузии кислорода в объем материала, что повышает его термостойкость и жаростойкость.

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.

Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB₄) и карбида бора (В₄С) 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 в системе SiO₂-В₂О₃ с промежуточной сушкой на воздухе в течение 24 ч.

Свойства предлагаемого керамического композиционного материала и материала-прототипа приведены в таблице 2.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что термостойкость предлагаемого керамического композиционного материала в ~2,5 раза выше, чем у материала-прототипа. Привес массы материала при испытаниях на жаростойкость подтверждает образование защитной боросиликатной стеклосвязки. Жаростойкость предлагаемого керамического композиционного материала, в мас.%: 100 ч – 1,8÷2,1; 200 ч – 2,2÷2,7; 300 ч – 2,8÷2,9; 400 ч – 3,2÷3,5, в то же время у материала-прототипа наблюдается убыль массы и разрушение после 100 ч испытаний при 1400°С вследствие окисления углеродного наполнителя.

Таким образом, применение предлагаемого керамического композиционного материала с повышенной термостойкостью и жаростойкостью при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых длительное время в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С, позволяет повысить надежность и ресурс изделий.

Таблица 1
Наименование компонентов	Состав по примерам, мас.%
1	2	3	4 прототип
Матрица:
Si	20	25	30	30
C	35	30	25	30
SiB4	1,8	1,7	1,6	4
SiO2	5	4,5	4	–
B4C	3	2	1	–
B2O3	2	1,5	0,5	–
SiC	ост.	ост.	ост.	ост.

Таблица 2
п/п	Свойства	Предлагаемые составы	Прототип
1	2	3	4
1.	Термостойкость, цк, 1400°С20°С, охлаждение на воздухе	100	105	100	40
2.	Жаростойкость, мас.%, 1400°С
	100 ч	1,8	2,1	1,9	-2,5 разрушение образца
	200 ч	2,2	2,6	2,7	разрушение образца
	300 ч	2,9	2,8	2,9	-«-
	400 ч	3,3	3,2	3,5	-«-

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, карбид бора и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%: