композиция для изготовления углерод-карбидокремниевого материала

Формула изобретения

Композиция для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, содержащая бакелит жидкий БЖ-3, растворитель, вещество-реагент и инициатор разложения вещества-реагента, отличающаяся тем, что она содержит в качестве растворителя - изопропиловый спирт, вещества-реагента - тетраэтоксисилан и инициатора разложения последнего - изопропиловый спирт и воду при соотношениях компонентов, мас.ч.:

Бакелит жидкий БЖ-3	100
Изопропиловый спирт	67-100
Тетраэтоксисилан	53-160
Вода	11-32

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства объемносилицированных изделий.

Известна композиция для нанесения на положку из углеродистого композиционного материала для последующего образования на ней карбида кремния, содержащая алкоксид кремния, воду, органический растворитель и углеродсодержащее вещество - патент RU 2070163 С1, кл. С01В 31/36, опубл. 10.12.1996 г.

По своим признакам и достигаемому результату эта композиция наиболее близка к заявляемой и принята за прототип.

В данной композиции в качестве алкоксида кремния используют, например, триалкоксисилан или тетраалкоксисилан в количестве 0,05-0,3 моль на 1 моль воды, в качестве органического растворителя - ацетон либо смесь ацетона с этиловым или пропиловым спиртом в количестве 0,3-1 моль на 1 моль воды, в качестве углеродсодержащего вещества - полиакрилонитрильную, эпоксидную, фенольную или фурановую смолу в количестве 1-3 моль углерода на 1 моль алкоксида кремния. Композицию гидролизуют в присутствии кислотного катализатора, в качестве которого используют соляную кислоту и, в виде геля, кистью наносят на углеродистую положку, удаляют из геля летучие вещества и термообрабатывают при температуре не менее 1300°С.

Недостаток композиции по прототипу заключается в том, что она не обеспечивает равномерности свойств углерод-карбидокремниевого материала по всему его объему, т.е. решения нашей задачи.

Неравномерность свойств углерод-карбидокремниевого материала объясняется невозможностью пропитки композицией в виде геля всего объема подложки при нанесении на ее поверхность геля кистью.

Задача изобретения заключается в обеспечении однородности (изотропности) свойств углерод-карбидокремниевого материала в изделии.

Эта задача решается усовершенствованием композиции для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, включающей в себя бакелит жидкий марки БЖ-3, растворитель, вещество-реагент и инициатор разложения вещества-реагента.

Усовершенствование заключается в том, что в качестве растворителя композиции используют изопропиловый спирт, вещества-реагента - тетраэтоксисилан, инициатора разложения тетраэтоксисилана - изопропиловый спирт и воду при соотношении компонентов:

Бакелит жидкий марки БЖ-3	100
Изопропиловый спирт	67-100
Тетраэтоксисилан	53-160
Вода	11-32

Использование в композиции жидкого бакелита, изопропилового спирта, тетраэтоксисилана и инициатора разложения тетраэтоксисилана - изопропилового спирта и воды, благодаря ее высокой текучести, позволяет обеспечить равномерное распределение композиции в составе композиционного материала.

При этом использование жидкого бакелита марки БЖ-3 позволяет осуществить соединение всех компонентов в единый композиционный материал, обеспечить высокую пропитывающую способность композиции ввиду самой низкой вязкости среди существующих бакелитов, а также обеспечить углеродом процесс карбидизации без вовлечения в него углерода волокнистого материала, а изопропилового спирта - формирование гомогенного раствора связующего, обеспечивающего равномерность пропитки тканевых углеродных заготовок. Наличие в составе композиции тетраэтоксисилана и воды позволяет обеспечить выделение из композиции двуокиси кремния, которая, в дальнейшем, обеспечивает карбидизацию углеродного материала, и заложить возможность дальнейшей карбидизации композиционного материала уже на стадии формирования углепластика, что значительно упрощает технологию изготовления углерод-карбидокремниевого материала.

Выход компонентов за обозначенные пределы ведет к негарантированному качеству композиционного материала.

При приготовлении предлагаемой композиции сначала вводят бакелит жидкий марки БЖ-3, затем растворитель - изопропиловый спирт, далее - тетраэтоксисилан и, в последнюю очередь, в композицию вводят воду и тщательно перемешивают.

При этом первые 1,5-2,0 часа композиция представляет собой прозрачный гомогенный жидкотекучий раствор, которым и производят пропитку тканевых углеродных заготовок, обеспечивая при этом практически абсолютную равномерность распределения композиции в тканевой углеродной заготовке, чем достигается равномерность (изотропность) свойств будущего углерод-карбидокремниевого материала. По прошествии 1,5-2,0 часов в композиции происходит выделение двуокиси кремния в соответствии со следующими химическими реакциями:

SiO(OC₂H₅)₄+4H ₂O Si(OH)₄+4C₂H₅OH

Si(OH)₄ SiO₂+2H₂O

чем достигается равномерное распределение связующего и двуокиси кремния в объеме углеволокнистого наполнителя.

Готовят композицию для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, вводят компоненты в последовательности, упомянутой выше. В течение 90-100 минут композиция после перемешивания компонентов сохраняет прозрачность и однородность, в этих условиях производят пропитку тканевых заготовок. Введение катализатора гидролиза не требуется, так как он значительно ускоряет процесс гидролиза и тем самым сокращает время, необходимое для пропитки.

Затем композиция начинает мутнеть, т.е. начинается выделение двуокиси кремния и осаждение его на углеродных волокнах (что обеспечивает упрощение технологического процесса). При этом средний фракционный состав выделяющейся двуокиси кремния - 0,1 мкм (чем обеспечиваются большие равномерность распределения и однородность свойств углерод-карбидокремниевого материала).

Все приведенные данные подтверждены результатами испытаний опытных образцов на основе углеродного наполнителя в виде пластины (200×150×3 мм), сшитых из 6 слоев ткани УТ-900П (см. таблицу).

Для характеристики равномерности распределения карбида кремния в материале, структуры материала и равномерности его свойств из упомянутых пластин (200×150×3 мм) вырезали квадратные образцы 30×30 мм равномерно по диагоналям пластин в количестве 10 шт., в каждой из которых определяли величину открытой пористости, плотности и содержания карбида кремния весовым методом путем выжигания углеродной составляющей и определения массовой доли остатка карбида кремния. Равномерность свойств материала характеризовали величиной среднеквадратичного отклонения ( ) определения пористости, плотности и содержания карбида кремния. Результаты приведены в таблице.

Анализ данных таблицы показывает, что при значениях содержания компонентов композиции в пределах интервалов, приведенных в формуле изобретения, содержание карбида кремния имеет минимальное среднеквадратичное отклонение, т.е. величины содержания карбида кремния в различных зонах образца углерод-карбидокремниевого композиционного материала очень мало (в пределах 3-4%) отличаются от среднего значения, что свидетельствует о высокой степени равномерности распределения карбида кремния в объеме образца. При этом композиционный материал становится более плотным за счет мелкодисперсности карбида кремния и менее пористым, сохраняя значительную степень равномерности свойств.

Композиция для изготовления углерод-карбидокремниевого материала, благодаря наличию в ее составе связующего и введенных в него силицирующих агентов, обеспечивает мелкодисперсность, повышенную равномерность распределения карбида кремния в получаемом углерод-карбидокремниевом материале и характеризуется по сравнению с прототипом повышенной равномерностью его свойств и упрощением технологии изготовления углерод-карбидокремниевого материала с гарантированными свойствами.

Таблица
№ образца	Содержание компонентов в пропиточной композиции, мас. ч.	Содержание карбида кремния (SiC), %	SiC	Плотность, ( ), г/см3		Открытая пористость (П), %	П
Бакелит жидкий БЖ-3	Изопропиовый спирт	Тетраэтоксисилан	Вода
1	100	55	45	8	2,4	0,5	1,45	0,16	11,0	1,2
2	100	70	55	12	3,4	0,1	1,54	0,04	4,2	0,2
3	100	80	100	20	6,8	0,2	1,58	0,04	3,4	0,2
4	100	90	150	30	10,2	0,4	1,56	0,05	2,8	0,1
5	100	120	180	40	12,0	3,8	1,42	0,12	9,3	0,8