Патент на изобретение №2193539

(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. Предложенный композиционный материал включает стекломатрицу 60-66 мас.%, содержащую SiO₂, В₂О₃, а в качестве армирующего углеродного наполнителя, в количестве 34-40 мас.%, используют высокопрочный углеродный жгут на основе полиакрилнитрила, при этом стекломатрица дополнительно содержит SiOC, при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%: SiO₂ 58,9-69,3; В₂О₃ 13,5-15; SiOC 15,7-27,6. Изобретение позволяет улучшить фазовую термостабильность и увеличить уровень разрушающего напряжения при изгибе при увеличении уровня рабочих температур выше 500^oС. Предложенный композиционный материал содержит экологически-, пожаро- и взрывобезопасные компоненты. 1 з. п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями.

Известен композиционный материал [1], имеющий химический состав, мас.%:
Стекло “Пирекс” – 45,0-80,2
Углеродное волокно – 19,8-55,0
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы [2], мас.%:
SiO₂ – 79,93
B₂O₃ – 12,12
Аl₂O₃ – 1,93
МgO – 0,17
СаO – 0,43
Nа₂O – 3,68
K₂O – 1,74
Недостатком этого материала является комплексное ухудшение прочности при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип [3], является композиционный материал химического состава, мас.%:
Стекломатрица – 50-80
Углеродное волокно – 20-50
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO₂ – 90
B₂O₃ – 9,6
Аl₂O₃ – 0,4
Недостатками указанного материала являются низкая фазовая термостабильность, вызванная кристаллизацией стекломатрицы такого типа, с образованием кристобалита как на стадии изготовления детали, так и во время ее эксплуатации при температурах выше 500^oС, низкий уровень рабочих температур (до 700^oС) и низкий уровень разрушающего напряжения при изгибе при температурах выше 500^oС.

Технической задачей изобретения является улучшение фазовой термостабильности и увеличение уровня разрушающего напряжения при изгибе, при увеличении уровня рабочих температур выше 700^oС.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, B₂O₃ и армирующий высокопрочный углеродный жгут на основе полиакрилнитрила, а стекломатрица дополнительно содержит SiOС, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Стекломатрица – 60-66
Указанный жгут – 34-40
при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
SiO₂ – 58,9-69,3
B₂O₃ – 13,5-15
SiOС – 15,7-27,6
SiOС имеет состав, мас.%:
О – 2-4,7
С – 27,3-30
Si – Остальное
Авторами установлено, что содержание в стекломатрице оксикарбида кремния, при предлагаемом соотношение компонентов, позволит повысить температуру эксплуатации изделий из данного материала, приведет к улучшению фазовой термостабильности и увеличит уровень разрушающего напряжения при изгибе при увеличении рабочей температуры выше 700^oС.

Пример осуществления
Дисперсные частицы стекломатрицы (SiO₂, B₂O₃) с размерами 5-10 мкм смешивают в течение 2-4 ч с частицами оксикарбида кремния (размер частиц 10-20 мкм) в фарфоровых барабанах алундовыми шарами в среде золя диоксида кремния (содержание SiO₂ до 25 мас.%), из расчета на 100 г сухой смеси 70-100 мл золя диоксида кремния. Полученным шликером матричного связующего пропитывают высокопрочные жгуты непрерывного углеродного армирующего наполнителя на основе полиакрилнитрила с их одновременной намоткой на барабан или выкладкой на формовочную плоскость в направлении 0^o. Полученные полуфабрикаты нарезают, производят укладку слоев с заданной ориентацией и сушат при температуре 18-25^oС до постоянной массы. Полученные заготовки укладывают в графитовые пресс-формы и подвергают горячему прессованию.

В табл. 1 и 2 представлены соответственно 4 состава и свойства полученных образцов композиционного материала в сравнении с прототипом.

Из табл. 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет улучшить фазовую термостабильность в 10-15 раз (устранить возникновение фазы кристобалита в стеклокерамической матрице), повысить уровень разрушающего напряжения при изгибе при увеличении рабочей температуры на 100^oС (до 800^oС).

Предложенный композиционный материал содержит экологически-, пожаро- и взрывобезопасные компоненты.

Источники информации

2. Химическая технология стекла и ситаллов. /Под ред.Н.М. Павлушкина – М.: Стройиздат, 1983, с. 301.

3. Заявка DE 19504743 A1.

Формула изобретения

1. Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂ и В₂О₃, и армирующий высокопрочный углеродный жгут, изготовленный на основе полиакрилнитрила, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит SiOC, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Стекломатрица – 60-66
Углеродный жгут – 34-40
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас. %:
SiO₂ – 58,9-69,3
В₂О₃ – 13,5-15
SiOC – 15,7-27,6
2. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что SiOC имеет состав, мас. %:
О – 2-4,7
С – 27,3-30
Si – Остальное

РИСУНКИ