Керамический композиционный материал

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей рабочих аппаратов газовых турбин, газоходов энергетических агрегатов и др., работающих при температуре 1350°С.

Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

(патент РФ №2193539).

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

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

Известен 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).

Композиционный материал может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах и на воздухе при температуре 900°С в течение 1 часа.

Недостатком композиционного материала и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1350°С на воздухе.

Известен 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, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.

Недостатком керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при температуре 1350°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).

Керамический композиционный материал-прототип может быть использован при изготовлении, например, уплотнительных колец газо- и нефтеперекачивающих станций, втулок, клапанов теплообменников, рекуператоров, работающих в агрессивных средах и на воздухе при 1500°С.

Недостатком прототипа является низкая жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов), что делает данный керамический композиционный материал неработоспособным в условиях эксплуатации.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов).

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

Авторами установлено, что введение в матрицу диоксида кремния и борного ангидрида при заявленных соотношениях и содержании компонентов приводит к образованию при температурах 1350°С при воздействии кислорода воздуха боросиликатной стеклосвязки, обеспечивающей самозалечивание (закупорку) возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., препятствующей диффузии кислорода в объем материала и деградации углеродного волокна, и, тем самым, повышает жаростойкость керамического композиционного материала при воздействии рабочей температуры 1350°С в течение длительного времени.

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.

Карбид кремния, кремний, углерод и тетраборид кремния - промышленно выпускаемые порошки. Перед смешиванием компонентов их предварительно измельчают до получения частиц размером менее 40 мкм. Поликомпонентный золь в системе SiO₂-B₂O₃ получают путем жидкофазного гидролиза в кислой среде водно-спиртового раствора тетраэтоксисилана (ТЭОС) в присутствии борной кислоты.

Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB₄) 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 системы SiO₂-В₂O₃ с промежуточными сушками на воздухе.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого керамического композиционного материала выше по сравнению с материалом-прототипом, который теряет при обработке часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1350°С в течение 100 часов.

Привес массы образцов (0,9-3,2 мас.%), связанный с образованием боросиликатной стеклосвязки при нагревах на воздухе при температуре 1350°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов керамического композиционного материала в течение длительного времени (до 500 часов), предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.

Таким образом, применение предлагаемого керамического композиционного материала в теплонагруженных узлах и деталях газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1350°С в течение длительного времени и, соответственно, повысить надежность и ресурс изделий.

Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит диоксид кремния и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%: