Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных углеродными волокнистыми наполнителями, используемым для изготовления теплонагруженных деталей, например бандажных колец, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.
Известен композиционный материал, имеющий химический состав, мас.%:
|
(The mechanical properties of carbon fiber reinforced Pyrex glass.// Journal of Materials Science 7 (1972) P.1454-1464)
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
|
(Химическая технология стекла и ситаллов./Под ред. Н.М.Павлушкина/ М.: Стройиздат. 1983. с 301)
Известный композиционный материал может быть использован для изготовления легкого высокотемпературного крепежа многоразовой теплозащиты.
Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.
Известен композиционный материал, имеющий химический состав, мас.%:
|
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
|
(патент США №4511663)
В качестве стекломатрицы в данном композиционном материале используется стекло "Пирекс 7740".
Недостатками указанного композиционного материала являются низкая фазовая термостабильность, вызванная кристаллизацией стекломатрицы такого типа, с образованием кристобалита как на стадии изготовления детали, так и во время ее эксплуатации, низкий уровень рабочих температур до 500°С, низкая жаростойкость при температурах выше 500°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является композиционный материал следующего химического состава, мас.%:
|
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
|
SiOC имеет химический состав, мас.%:
|
(патент РФ №2193539).
Материал-прототип может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.
Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость (высокая убыль массы) при температурах 500-800°С.
Технической задачей изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочих температурах до 800°С.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO2, B2O3 и углеродный волокнистый наполнитель, в котором стекломатрица дополнительно содержит Al2O3, SrO, BaO, TiO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
|
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
|
Углеродный волокнистый наполнитель выполнен в виде ленты, нити, ткани, жгута. Изделие выполнено из предлагаемого композиционного материала.
Авторами установлено, что дополнительное введение в стекломатрицу Al2O3, SrO, BaO, TiO2, при заявленном соотношении и содержании компонентов, позволит повысить жаростойкость (снизить убыль массы) изделий из композиционного материала при рабочих температурах до 800°С.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Для получения композиционного материала были приготовлены четыре композиции, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1. В качестве углеродного волокнистого наполнителя использовали углеродную ленту "Кулон", нить "Гранит", ткань "Урал Т22", жгут "УКНП 5000".
Стекломатрицу получали по методу, совмещающему "золь-гель" технологию изготовления фритты боросиликатного стекла и шликерной технологии с введением поверхностно-активных добавок, регулирующих свойства стекломатрицы. Сухую смесь дисперсных частиц (размером менее 10 мкм) компонентов стекломатрицы (В2O3, Al2O3, BaO, SrO, TiO2) смешивали с коллоидным раствором силикозоля кремниевой кислоты в фарфоровом барабане с алундовыми шарами в течение 2-4 часов. Полученную суспензию наносили на углеродный волокнистый наполнитель с одновременной прокаткой резиновым валиком и последующей выкладкой на формовочную плоскость. Полученные полуфабрикаты сушили при температуре 18-100°С до постоянной массы. Полученные заготовки укладывали в графитовые пресс-формы и подвергали горячему прессованию.
В таблице 2 представлены свойства полученных образцов композиционного материала в сравнении с прототипом.
|
|
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала значительно возрастает, прототип композиционного материала теряет значительную часть армирующего наполнителя в течение 26 часов при 800°С.
Незначительная убыль массы образцов (менее 3 мас.%) подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала, предотвращающего диффузию кислорода воздуха в глубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.
Из таблицы 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет улучшить жаростойкость в 15 раз при температурах до 800°С и позволяет увеличить ресурс работы изделий из него.
Предложенный композиционный материал экологически-, пожаро- и взрывобезопасен.
Стекломатрица60,5-73,5Углеродныйволокнистыйнаполнитель26,5-39,5,c0c1211none2352приследующемсоотношениикомпонентовстекломатрицы,мас.%:SiO35,0-55,5ВО6,0-15,0AlO12,0-15,0SrO9,0-10,0BaO12,0-15,0TiO5,5-10,0c0c1211none25541.Композиционныйматериал,включающийстекломатрицу,содержащуюSiO,ВОиуглеродныйволокнистыйнаполнитель,вкоторомстекломатрицадополнительносодержитAlO,SrO,BaO,TiOприследующемсоотношениикомпонентов,мас.%:12.Композиционныйматериалпоп.1,отличающийсятем,чтоуглеродныйволокнистыйнаполнительвыполненввиделенты,нити,ткани,жгута.23.Изделиеизкомпозиционногоматериала,отличающеесятем,чтооновыполненоизматериалапоп.1.3