керамический композиционный материал

Классы МПК:C04B35/80 волокна, нити, пластинки, спиральные пружины или подобные им формованные материалы
C04B35/577 композиты
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2010-10-05
публикация патента:

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей перспективных газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, транспортных и энергетических систем, работающих в условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1650°С на воздухе и в продуктах сгорания топлива. Предложенный керамический композиционный материал включает углеродные волокна и матрицу, полученную из композиции следующего химического состава, мас.%: Si 20-35, С 25-40, SiO2 5,5-6,0, НfО2 5-8, SiC - остальное. Технический результат изобретения - повышение надежности и ресурса службы изделий в условиях высоких термоциклических нагрузок при рабочей температуре до 1650°С. 3 табл.

Формула изобретения

Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, диоксид кремния, диоксид гафния, карбид кремния, отличающийся тем, что исходная композиция матрицы имеет следующий химический состав, мас.%:

Si20-35
С 25-40
SiO 25,5-6,0
НfO 5-8
SiC остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей перспективных газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, транспортных и энергетических систем, работающих в условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1650°С на воздухе и в продуктах сгорания топлива.

Известен композиционный материал, который состоит из армирующего неорганического волокна и матрицы, включающей 40-95 мас.% фазы SiC и 5-60 мас.% оксидной фазы. Оксидная фаза может представлять собой ZrSiO4 или стеклокерамическую фазу составов ВаО-MgO-Al2O3-SiO2 или SrO-Al2O3-SiO2. При этом средний элементный состав фазы SiC составляет, мас.%: 30-80 Si, 15-69 С, 0,005-20 О или 30-80 Si, 10-65 С, 0,005-25 О (патент США № 6331496).

Недостатком указанного композиционного материала является низкая термостойкость (стойкость к циклическим нагревам) при температуре 1650°С.

Известен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу следующего состава, мас.%:

Si20-35
С 25-40
SiB 42-6
SiC остальное (патент РФ № 2297992)

Керамический композиционный материал может быть использован при изготовлении узлов и деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, применяющихся в авиационной технике и машиностроении для эксплуатации при температурах не выше 1500°С.

Известен также керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу следующего химического состава, мас.%:

Si20-35
С 25-40
SiB 40,1-1,5
SiO2 1-5
SiC остальное (патент РФ № 2352543)

Известный композиционный материал может быть использован при изготовлении деталей, работающих в условиях воздействия окислительных сред при температурах до 1550°С.

К недостаткам этих материалов следует отнести низкую термостойкость при температурах до 1650°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, диоксид кремния, диоксид гафния и карбид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:

Si20-35
С 25-40
SiB 42-4
SiO2 0,1-0,9
HfO2 1-3
SiC остальное (патент РФ № 2392250)

Недостатком композиционного материала - прототипа является недостаточная термостойкость при температуре до 1650°С.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание керамического композиционного материала, обладающего повышенной термостойкостью в условиях высоких термоциклических нагрузок при рабочей температуре до 1650°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, диоксид кремния, диоксид гафния, карбид кремния, при этом исходная композиция матрицы имеет следующий химический состав, мас.%:

Si20-35
С 25-40
SiO 25,5-6,0
HfO2 5-8
SiC остальное

Установлено, что изменение содержания диоксида кремния и диоксида гафния при заявленных соотношениях и содержаниях других компонентов в матрице позволяет повысить термостойкость керамического композиционного материала за счет образования наноструктурированной тугоплавкой стекловидной фазы переменного состава в системе «SiO 2-стекло-HfO2-HfSiO4», способной к релаксации термоупругих напряжений, обеспечивающей самозалечивание и герметизацию возможных технологических и эксплуатационных микродефектов за счет допирования наномодификаторами на основе золь-гель прекурсоров, предотвращая диффузию кислорода в объем материала и препятствуя окислению углеродного армирующего волокна, при воздействии высоких термоциклических нагрузок на воздухе и в продуктах сгорания топлива при рабочей температуре до 1650°С.

Примеры осуществления

Для получения 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 углеродным волокном в полиэтиленовых барабанах. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.

Количество углеродного волокна составляло 10-20 мас.%.

Карбид кремния, кремний и углерод перед смешиванием предварительно измельчали на мельницах планетарного типа до получения частиц размером менее 40 мкм.

Порошок диоксида гафния имел частицы размером 40-60 нм.

В качестве прекурсора использовали промышленно-выпускаемый коллоидный раствор двуокиси кремния с содержанием твердой фазы 26 мас.%.

Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температурах 180-200°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1650-1800°С.

После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке наномодификаторами на основе золь-гель прекурсоров (золем диоксида кремния SiO 2 с добавками нанодисперсного порошка диоксида гафния HfO 2) с промежуточными сушками на воздухе.

Образцы керамического композиционного материала, изготовленные по композициям (1-3), испытывали на термостойкость при температуре 1650°С в течение 5000 циклов по 1 мин каждый по режиму 800керамический композиционный материал, патент № 2447039 1650°С и в течение 100 циклов по 10 мин каждый по режиму 1650керамический композиционный материал, патент № 2447039 20°С, охлаждение на воздухе. Материал - прототип испытывали на термостойкость при температуре 1600°С. Результаты исследований представлены в таблице 2 и 3.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что при высокотемпературных термоциклических нагревах термостойкость предлагаемого композиционного материала в 1,6 раза выше по сравнению с материалом - прототипом, который теряет часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1600°С соответственно после 3100 (табл.2) и 60 (табл.3) циклов.

Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала с повышенной термостойкостью при изготовлении теплонагруженных деталей перспективных газотурбинных установок, в том числе внутренней поверхности камеры сгорания ГТД, других функциональных материалов обеспечивает их работоспособность в условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1650°С в агрессивных средах в течение длительного времени и, соответственно, позволяет повысить надежность и ресурс изделий.

керамический композиционный материал, патент № 2447039

Таблица 2
№ п/п Параметры испытаний образцов
Температура испытания, °С Термостойкость 800°Скерамический композиционный материал, патент № 2447039 1650°С
Количество циклов, 1ц-1 мин Внешний вид
11650 5000Дефектов нет
2 16505050 Дефектов нет
31650 5100Дефектов нет
Прототип 1600 3100Разрушение образца

Таблица 3
№ п/п Параметры испытаний образцов
Температура испытания, °С Термостойкость 1650°Скерамический композиционный материал, патент № 2447039 20°С,
охлаждение на воздухе
Количество циклов, 1ц-10 мин Внешний вид
11650 100Дефектов нет
2 1650100 Дефектов нет
31650 101Дефектов нет
Прототип 1600 60Разрушение образца

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2447039

patent-2447039.pdf

Класс C04B35/80 волокна, нити, пластинки, спиральные пружины или подобные им формованные материалы

деталь малой толщины из термоструктурного композиционного материала и способ ее изготовления -  патент 2529529 (27.09.2014)
керамический композиционный материал на основе алюмокислородной керамики, структурированной наноструктурами tin -  патент 2526453 (20.08.2014)
боридная нанопленка или нанонить и способ их получения (варианты) -  патент 2524735 (10.08.2014)
композиция керамического волокна, растворимая в соли -  патент 2521205 (27.06.2014)
способ выравнивания поверхности детали, изготовленной из композиционного материала с керамической матрицей -  патент 2520108 (20.06.2014)
керамический композиционный материал и способ его получения -  патент 2517146 (27.05.2014)
способ получения высокотемпературного радиотехнического материала -  патент 2498964 (20.11.2013)
высокопрочная нанопленка или нанонить и способ их получения (варианты) -  патент 2492139 (10.09.2013)
композиция для огнеупорных изделий объемного прессования -  патент 2473515 (27.01.2013)
способ получения волокнистого керамического материала -  патент 2466966 (20.11.2012)

Класс C04B35/577 композиты

способ изготовления изделий из композиционных материалов -  патент 2516096 (20.05.2014)
шихта для изготовления ударостойкой керамики (варианты) -  патент 2514068 (27.04.2014)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала в форме оболочек -  патент 2513497 (20.04.2014)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2497778 (10.11.2013)
способ получения спеченной керамики, керамика, полученная при помощи способа, и содержащая ее запальная свеча -  патент 2490231 (20.08.2013)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2487850 (20.07.2013)
способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала -  патент 2486163 (27.06.2013)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2486132 (27.06.2013)
способ изготовления изделий из композиционного материала -  патент 2484013 (10.06.2013)
способ изготовления герметичных изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2480433 (27.04.2013)
Наверх