Способ изготовления керамики на основе карбида кремния, армированного волокнами карбида кремния

Способ изготовления керамики на основе карбида кремния, армированной волокнами карбида кремния.

Изобретение относится к способу получения керамических композитов - композит из карбида кремния, упрочненный волокном карбида кремния, обладающий совокупностью физико-механических свойств, таких как высокая прочность и твердость, низкий коэффициент термического расширения и износостойкость. Данный вид керамики предназначен для работы в кислых и агрессивных средах, в условиях высоких температур и длительного механического воздействия. Изобретение относится к способу получения карбидкремниевой керамики, армированной тугоплавким наполнителем.

Способ изготовления композита на основе карбидкреминевой керамики, армированной волокнами карбида кремния, включает в себя смешение компонентов - тонкодисперсного порошка карбида кремния марки Saint Gobain, содержащего в качестве спекающей добавки оксиды алюминия и иттрия, которые на стадии спекания образуют алюмо-иттриевый гранат, и волокон карбида кремния. Техническая привлекательность волокон SiC обусловлена тем, что в них удачно сочетается ряд важных эксплуатационных характеристик, таких как высокая температура плавления, химическая стойкость, высокая прочность и модуль упругости. Введение волокон карбида кремния армируют структуру материала, повышая показатель прочности при изгибе.

Изобретение относится к технологии получения изделий на основе карбидкремниевой керамики, армированной волокнами карбида кремния.

Карбид кремния является перспективным материалом, обладающим совокупностью свойств, позволяющих широко использовать его в качестве электроизоляционных и радиотехнических изделий, магнитопроницаемой керамики, броневой керамики, режущего инструмента, а также, подшипников скольжения и качения. За последнее десятилетие в России проведены исследования по разработке композиционных материалов на основе углерода, карбида и нитрида кремния, в которых вышеперечисленные соединения могут являться как матрицей, так и армирующим наполнителем в виде непрерывных или дискретных волокон, усов.

Известен патент RU №2058964 опубликованный 27.04.1996 С04В 035/52, С04В 035/80, «Способ получения композиционного материала на основе углеродного волокна и карбида кремния», где описывается способ получения композиционного материала на основе углеродного волокна и карбида кремния с различным содержанием этих составляющих по толщине материала. Углеродную заготовку для последующего силицирования изготавливают из двух слоев: основной слой содержит углеродные волокна с пониженной реакционной способностью к кремнию, а поверхностный слой - с предельно высокой. Заготовка может быть выполнена путем подбора углеродного волокна с различной плотностью или изготовлением поверхностного слоя заготовки из углеродного волокна с барьерным покрытием из пироуглерода и/или карбида кремния, и/или нитрида кремния. Поры не могут быть полностью заполнены карбидом кремния и либо заполняются свободным кремнием, что приводит к излишнему охрупчиванию и снижению термостойкости материала, либо остаются недозаполненными (при удалении свободного кремния при температурах более 1850°С), что делает рабочую поверхность проницаемой для окислителя, который проникает к несущим слоям материала изделия. К тому же, в случае использования в защитных слоях материала химически активного к кремнию наполнителя, резко снижаются прочностные характеристики материала (прочность, износостойкость) из-за деградации свойств армирующего наполнителя.

В патенте RU №2084425, опубликованного 20.07.1997, С04В 035/52, С04В 035/83, С04В 035/56, «Способ получения изделий из углерод-карбидокремниевого композиционного материала и углеродкарбидокремниевый композиционный материал», описывается получение изделий из углеродкарбидокремниевого композиционного материала, включает изготовление углепластиковых заготовок на основе углеродного волокна и термореактивного связующего, ее термообработку до образования коксовой матрицы, армированной углеродным волокном, насыщение заготовки пироуглеродом и силицирование. Узкий интервал рабочих температур существенно ограничивает область применения материала.

Наиболее близким является способ получения композита, описанный в патенте RU №2176628, опубл. 10.12.2001 С04В 041/88, С04В 035/80, С04В 035/573 «Композит (варианты) и способ его приготовления, способ обработки волоконной заготовки (варианты)». Способ приготовления композита включает в себя следующие операции: использование волоконной заготовки с волокнами, содержащими карбид кремния, инфильтрацию волоконной заготовки суспензией, содержащей от 97 до 99,9 вес. % кремния и от 0,1 до 3 вес. % добавленного углерода, и пропитку заготовки содержащим кремний расплавленным сплавом при температуре от 1410°С до 1450°С. Предложенный способ обработки волоконной заготовки включает в себя следующие операции: использование заготовки, которая имеет от 20 до 80 об. % покрытого волокна, причем волокно содержит карбид кремния, и от 20 до 80 об. % пористости, посредствам пропитки, которая содержит керамические частицы, происходит заполнение пор заготовки, что в последствии снижает пористость, и нанесение керамических частиц на внешнюю поверхность заготовки для образования монолитного слоя их на поверхности заготовки. Другими вариантами способа обработки волоконной заготовки являются способ, включающий использование волоконной заготовки, содержащей карбид кремния, пропитку заготовки суспензией, которая содержит двухфракционную смесь частиц карбида кремния, и инфильтрацию заготовки матричным сплавом, содержащим кремний, а также способ, включающий использование волоконной заготовки, содержащей неоксидное керамическое волокно, имеющее по меньшей мере одно покрытие, причем указанное покрытие содержит элемент, выбранный из группы, образованной углеродом, азотом, алюминием и титаном, при этом волокно имеет температуру деструкции в диапазоне от 1410°С до 1450°С, пропитка указанной заготовки суспензией, содержащей частицы карбида кремния и от 0,1 до 3 вес. % углерода, приготовление покровной смеси, которая включает в себя сплав, содержащий металлический пропитывающий материал, указанный элемент, который имеется в составе покрытия, и полимер, нанесение покровной смеси по меньшей мере на один из участков поверхности, пропитанной на стадии б) заготовки, нагревание покровной смеси до температуры в диапазоне от 1410°С до 1450°С для расплавления сплава, и инфильтрация волокнистой заготовки расплавленным сплавом в течение промежутка времени от 15 до 240 мин для получения упрочненного керамическим волокном керамического композита. Недостатками методов является пористость (10-20%) и относительно низкую прочность на разрыв порядка 140-200 МПа.

Задачей заявляемого изобретения является увеличение прочностных характеристик посредством армирования волокнами карбида кремния, что поспособствует расширению области применения и увеличению срока службы конечного изделия.

Технический результат заключается в увеличении прочностных характеристик с помощью армирования материала волокнами карбида кремния.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления керамики на основе карбида кремния включает в себя смешение порошка карбида кремния со спекающей добавкой и с волокнами SiC в среде изопропанола в планетарной мельнице. Сушку полученной смеси, добавление 3 мас.% 10-% водного раствора поливинилпирролидона. Формование заготовок и спекание в среде аргона согласно изобретению. Формование заготовок проводят холодным одноосным двусторонним прессованием в стальной пресс-форме при давлении 100 МПа. Последующее спекание проводят методом горячего прессования в графитовой пресс-форме при температуре 1850°С с максимальным удельным давлением 30 МПа.

Введение в керамику армирующих волокон положительно влияет на повышение комплекса ее базовых свойств, в том числе прочности. Это связанно, во-первых, с уровнем физико-механических свойств современных волокнистых армирующих наполнителей, а также с реализацией более сложного, в сравнении с монолитной керамикой, механизма разрушения керамоматричного композита, что особенно касается ударных нагрузок.

Отличие от прототипа состоит в том, что на стадии смешивания используются готовые волокна карбида кремния, полученные методом силицирования. Спекание производится методом горячего прессования, что позволяет снизить значение пористости изделия.

Изделия из предложенного керамического материала получают следующим образом.

В качестве исходного материала использовали промышленный гранулированный порошок карбида кремния марки Saint Gobain Sika Densitec-L дисперсностью до 1 мкм (рисунок 1). Порошок карбида кремния со спекающей добавкой и волокна карбида кремния (рисунок 2), взятые в необходимых количествах, смешивают в планетарной мельнице в течение 30-60 мин в среде спирта. Высушенную смесь протирают через сито и прессуют методом двухстороннего прессования в металлической пресс-форме с приложением давления 100 МПа. Полученные сырцы подвергают горячему прессованию в графитовой пресс-форме при 1850°С в течение 1 ч в защитной среде аргона, давление прессования 30 МПа. В таблице №1 представлены свойства полученных керамических материалов на основе карбида кремния с разным содержанием волокон карбида кремния.

Пример 1. Готовят шихту следующего состава: карбид кремния со спекающей добавкой - 97 мас. %; волокна карбида кремния - 3 мас. %.

Смешение компонентов проводят в планетарной мельнице в течение 60 мин. В качестве мелящих тел используют шары из диоксида циркония диаметром 5 мм. Высушенную смесь протирают через сито 063, отвешивают необходимое количество шихты, вводят в шихту 3 мас. % 10-% водного раствора поливинилпирролидона и проводят предварительное двухстороннее прессование в металлической пресс-форме. Полученный сырец подвергается горячему прессованию в графитовой пресс-форме при 1850°С в течение 1 ч в среде аргона. Полученный керамический материал имеет прочность при изгибе при комнатной температуре 455 МПа, плотность 3,18 г/см³.

Пример 2. Готовят шихту следующего состава: карбид кремния со спекающей добавкой - 95 мас. %; волокна карбида кремния - 5 мас. %.

Смешение компонентов проводят в планетарной мельнице в течение 60 мин. В качестве мелящих тел используют шары из диоксида циркония диаметром 5 мм. Высушенную смесь протирают через сито 063, отвешивают необходимое количество шихты, вводят в шихту 3 мас. % 10% водного раствора поливинилпирролидона и проводят предварительное двухстороннее прессование в металлической пресс-форме. Полученный сырец подвергается горячему прессованию в графитовой пресс-форме при 1850°С в течение 1 ч в среде аргона. Полученный керамический материал имеет прочность при изгибе при комнатной температуре 471 МПа, плотность 3,19 г/см³.