керамический композиционный материал

Формула изобретения

1. Керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, Al₂ O₃ и углеродный волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит SrO, BaO, TiO₂ и Al₂TiO ₅ при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

Al2O 3	21,0-21,9
SrO	4,7-19,4
BaO	1,0-14,0
TiO2	11,7-12,2
Al2TiO 5	1,8-6,5
SiO2	остальное

2. Керамический композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет следующий состав, мас.%:

Стекломатрица	60,5-73,5
углеродный волокнистый наполнитель	26,5-39,5

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокристаллических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой таких как стойки, проставки переходных устройств, элементы резьбового крепежа и т.д. на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной, космической технике и в машиностроении.

Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:

Стекломатрица	45,0-80,2
Углеродное волокно	19,8-55,0

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	79,93
В2О 3	12,12
Al2O3	1,93
MgO	0,17
CaO	0,43
Na2O	3,68
K2O	1,74

(The mechanical properties of carbon

fiber reinforced Pyrex glass. //

Journal of Materials Science

7 (1972) P.1454

Недостатком указанного керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при воздействии температур выше 450°С в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Известен композиционный материал, включающий стекломатрицу, армированную углеродными волокнами, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

Al2О 3	2,7
В 2О3	12,3
Na2O	4,2
CaO	0,3
SiO2	80,5

(патент США №5391213)

Недостатками известного композиционного материала являются низкая жаростойкость и повышенный коэффициент термического расширения при рабочих температурах 500-550°С.

Известные композиционные материалы могут быть использованы только для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.

Известен также композиционный материал следующего состава, мас.%:

Стекломатрица	60-66
углеродный жгут	34-40

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	58,9-69,3
В2 О3	13,5-15
SiOC	15,7-27,6

(патент РФ №2193539)

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

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

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:

Углеродное волокно	50
Стекломатрица	50

при следующем соотношении

компонентов стекломатрицы, мас.%:

SiO2	81
В2O 3	13
Al 2О3	2
Na2O	4

(патент США №4511663)

Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей на основе ленточных и жгутовых препрегов, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.

Недостатками керамического композиционного материала-прототипа являются низкая жаростойкость и термостойкость при температурах до 800°С, повышенное значение коэффициента термического расширения.

Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости и термостойкости материала при рабочих температурах до 800°С при снижении коэффициента термического расширения.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, Al₂О ₃ и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит SrO, BaO, TiO₂ и Al₂TiO₅, при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:

Al2O 3	21,0-21,9
SrO	4,7-19,4
BaO	1,0-14,0
TiO2	11,7-12,2
Al2TiO 5	1,8-6,5
SiO2	остальное

При этом преимущественное соотношение стекломатрицы и углеродного волокнистого наполнителя составляет, мас.%

Стекломатрица	60,5-73,5
Углеродный волокнистый наполнитель	26,5-39,5

Предлагаемый керамический композиционный материал предназначен для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой и элементов резьбового крепежа, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.

Установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу оксида стронция, оксида бария, диоксида титана и титаната алюминия, при заявленном содержании и соотношении компонентов, позволит повысить жаростойкость и термостойкость, а также снизить температурный коэффициент линейного расширения керамического композиционного материала, работающего при температурах до 800°С.

Примеры осуществления

Для получения керамического композиционного материала были приготовлены 5 композиций, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.

Пример 1

Керамический композиционный материал (табл.1, состав 1) получали по методу, совмещающему «золь-гель» технологию приготовления алюмосиликатного стекла и шликерную технологию. Тонкодисперсный порошок титаната алюминия вводили на стадии приготовления золя. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродную ленту «Кулон».

Суспензию наносили на ленту «Кулон» с одновременной прокаткой резиновым валиком и последующей выкладкой на формовочную плоскость. Полученные полуфабрикаты сушили при температуре (18-100)°С в течение 48-4 ч. Далее заготовки выкладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию при температуре до 1400°С.

Примеры 2-5 получения керамических композиционных материалов осуществляли аналогично примеру 1.

В таблице 2 представлены свойства полученных образцов предлагаемого керамического композиционного материала в сравнении с материалом-прототипом.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что предложенный керамический композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 10-15 раз, термостойкость в 3-5 раза, значительно снизить термический коэффициент линейного расширения при рабочих температурах до 800°С.

Применение предлагаемого керамического композиционного материала для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой и элементов резьбового крепежа на основе ленточных и жгутовых препрегов обеспечит увеличение ресурса и надежности этих деталей.

Предложенный керамический композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.

Таблица 1
Компоненты керамического композиционного материала		Содержание компонентов в образцах, мас.%
		1	2	3	4	5 (прототип)
Углеродный волокнистый материал	Лента «Кулон»	26,5	-	-	-	50
Стекломатрица	Компоненты матрицы	73,5	70	65	60,5	50
	Al2О 3	21,9	21,6	21,4	21,0	2
	SrO	19,4	14,4	9,5	4,7	-
	ВаО	1	4,8	9,5	14,0	-
	TiO2	12,2	12,0	11,9	11,7	-
	Al2TiO5	1,8	3,9	4,8	6,5	-
	SiO 2	остальное	остальное	остальное	остальное	81
	В 2О3	-	-	-	-	13
	Na2O	-	-	-	-	4

Таблица 2
Свойства композиционного материала	1	2	3	4	5 (прототип)
Температура, °С	800	800	800	800	800
Время, ч	75	75	75	75	26
Убыль массы образцов после испытаний, мас.%	2,7	2,9	2,9	2,8	35
ТКЛР (×1061/град)	-3,8	-4,1	-4,4	-4,6	0,8-1,5
Термостойкость (режим 20 800°С)	Более 1000 циклов	Более 1000 циклов	Более 1000 циклов	Более 1000 циклов	300 циклов
Внешний вид образцов после испытаний (наличие дефектов)	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют