RU2388727C1 - Керамический композиционный материал - Google Patents
Керамический композиционный материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2388727C1 RU2388727C1 RU2008134346/03A RU2008134346A RU2388727C1 RU 2388727 C1 RU2388727 C1 RU 2388727C1 RU 2008134346/03 A RU2008134346/03 A RU 2008134346/03A RU 2008134346 A RU2008134346 A RU 2008134346A RU 2388727 C1 RU2388727 C1 RU 2388727C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite material
- matrix
- ceramic composite
- temperature
- silicon
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 4
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 10
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 10
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- NUSDCJCJVURPFV-UHFFFAOYSA-N silicon tetraboride Chemical compound B12B3B4[Si]32B41 NUSDCJCJVURPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 2
- 229910003685 SiB4 Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 238000007605 air drying Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 239000012763 reinforcing filler Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000004584 weight gain Effects 0.000 description 1
- 235000019786 weight gain Nutrition 0.000 description 1
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей рабочих аппаратов газовых турбин, газоходов энергетических агрегатов и др., работающих при температуре 1350°С. Предложен керамический композиционный материал, включающий матрицу и углеродные волокна, при этом матрица имеет следующий химический состав, мас.%: Si 20-30, С 25-35, SiB4 0,1-1,5, SiO2 6-9, В2О3 3-9, SiC - остальное. Технический результат изобретения - увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочей температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов) и повышение надежности и ресурса изделий. 2 табл.
Description
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей рабочих аппаратов газовых турбин, газоходов энергетических агрегатов и др., работающих при температуре 1350°С.
Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:
| Стекломатрица | 60-66 |
| углеродный жгут | 34-40 |
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
| SiO2 | 58,9-69,3 |
| В2O3 | 13,5-15 |
| SiOC | 15,7-27,6 |
(патент РФ №2193539).
Композиционный материал может быть использован для изготовления простых теплонагруженных элементов авиационной техники и машиностроения.
Недостатком указанного композиционного материала является недостаточно высокая жаростойкость при температурах выше 800°С.
Известен композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, состоящую из карбида кремния, бора и пироуглерода, распределенного в ее объеме и на поверхности материала при следующем соотношении компонентов в матрице, мас.%:
| SiC | 10-50 |
| В | 0,5-1,2 |
| С (пироуглерод) | остальное |
(патент РФ №2203218).
Композиционный материал может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах и на воздухе при температуре 900°С в течение 1 часа.
Недостатком композиционного материала и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1350°С на воздухе.
Известен керамический композиционный материал следующего состава, мас.%:
| Углеродное волокно | 50 |
| Стекломатрица | 50 |
при следующем соотношении
компонентов стекломатрицы, мас.%:
| SiO2 | 81 |
| В2O3 | 13 |
| Аl2O3 | 2 |
| Na2O | 4 |
(патент США №4511663).
Известный композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.
Недостатком керамического композиционного материала является низкая жаростойкость при температуре 1350°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
| Si | 20-35 |
| С | 25-40 |
| SiB4 | 2-6 |
| SiC | остальное |
(патент РФ №2297992).
Керамический композиционный материал-прототип может быть использован при изготовлении, например, уплотнительных колец газо- и нефтеперекачивающих станций, втулок, клапанов теплообменников, рекуператоров, работающих в агрессивных средах и на воздухе при 1500°С.
Недостатком прототипа является низкая жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов), что делает данный керамический композиционный материал неработоспособным в условиях эксплуатации.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1350°С в течение длительного времени (свыше 100 часов).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при этом матрица дополнительно содержит диоксид кремния и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
| Si | 20-30 |
| С | 25-35 |
| SiB4 | 0,1-1,5 |
| SiO2 | 6-9 |
| В2О3 | 3-9 |
| SiC | остальное |
Авторами установлено, что введение в матрицу диоксида кремния и борного ангидрида при заявленных соотношениях и содержании компонентов приводит к образованию при температурах 1350°С при воздействии кислорода воздуха боросиликатной стеклосвязки, обеспечивающей самозалечивание (закупорку) возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., препятствующей диффузии кислорода в объем материала и деградации углеродного волокна, и, тем самым, повышает жаростойкость керамического композиционного материала при воздействии рабочей температуры 1350°С в течение длительного времени.
Примеры осуществления
Для получения керамического композиционного материала были приготовлены композиции предлагаемого материала (1-3) и материала-прототипа (4), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.
Карбид кремния, кремний, углерод и тетраборид кремния - промышленно выпускаемые порошки. Перед смешиванием компонентов их предварительно измельчают до получения частиц размером менее 40 мкм. Поликомпонентный золь в системе SiO2-B2O3 получают путем жидкофазного гидролиза в кислой среде водно-спиртового раствора тетраэтоксисилана (ТЭОС) в присутствии борной кислоты.
Дисперсные частицы матрицы карбида кремния, кремния, углерода (SiC, Si, С) смешивали с частицами тетраборида кремния (SiB4) и углеродными волокнами в полиэтиленовых барабанах. В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.
Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температуре 120-150°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1400-1450°С.
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем системы SiO2-В2O3 с промежуточными сушками на воздухе.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого керамического композиционного материала выше по сравнению с материалом-прототипом, который теряет при обработке часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1350°С в течение 100 часов.
Привес массы образцов (0,9-3,2 мас.%), связанный с образованием боросиликатной стеклосвязки при нагревах на воздухе при температуре 1350°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов керамического композиционного материала в течение длительного времени (до 500 часов), предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.
Таким образом, применение предлагаемого керамического композиционного материала в теплонагруженных узлах и деталях газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1350°С в течение длительного времени и, соответственно, повысить надежность и ресурс изделий.
| Таблица 1 | ||||
| Наименование компонентов | Состав по примерам, мас.% | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 прототип | |
| Матрица: | ||||
| Si | 20 | 25 | 30 | 30 |
| С | 35 | 30 | 25 | 30 |
| SiB4 | 1,5 | 0,8 | 0,1 | 4 |
| SiO2 | 9 | 7 | 6 | - |
| В2O3 | 6 | 3 | 9 | - |
| SiC | ост. | ост. | ост. | ост. |
| Таблица 2 | |||||
| Параметры испытаний образцов на жаростойкость | Изменение массы образцов после испытаний на жаростойкость, мас.% | ||||
| Температура, °С | Время, ч | 1 | 2 | 3 | 4 прототип |
| 1350 | 100 | 1,4 | 0,9 | 1,6 | -2,3 разрушение образца |
| 200 | 2,1 | 1,6 | 2,3 | разрушение образца | |
| 300 | 2,8 | 2,1 | 2,7 | -«- | |
| 400 | 3,1 | 2,6 | 3,2 | -«- | |
| 500 | 2,9 | 2,3 | 2,8 | -«- | |
Claims (1)
- Керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит диоксид кремния и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si 20-30 С 25-35 SiB4 0,1-1,5 SiO2 6-9 В2O3 3-9 SiC остальное
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008134346/03A RU2388727C1 (ru) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | Керамический композиционный материал |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008134346/03A RU2388727C1 (ru) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | Керамический композиционный материал |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008134346A RU2008134346A (ru) | 2010-02-27 |
| RU2388727C1 true RU2388727C1 (ru) | 2010-05-10 |
Family
ID=42127582
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008134346/03A RU2388727C1 (ru) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | Керамический композиционный материал |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2388727C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5965266A (en) * | 1995-03-28 | 1999-10-12 | Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation | Composite material protected against oxidation by a self-healing matrix, and a method of manufacturing it |
| RU2203218C2 (ru) * | 2000-09-19 | 2003-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" | Композиционный материал |
| JP2004340193A (ja) * | 2003-05-13 | 2004-12-02 | Honda Motor Co Ltd | ブレーキディスクの製造方法 |
| RU2297992C1 (ru) * | 2005-09-08 | 2007-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Композиционный материал и изделие, выполненное из него |
-
2008
- 2008-08-25 RU RU2008134346/03A patent/RU2388727C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5965266A (en) * | 1995-03-28 | 1999-10-12 | Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation | Composite material protected against oxidation by a self-healing matrix, and a method of manufacturing it |
| RU2203218C2 (ru) * | 2000-09-19 | 2003-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" | Композиционный материал |
| JP2004340193A (ja) * | 2003-05-13 | 2004-12-02 | Honda Motor Co Ltd | ブレーキディスクの製造方法 |
| RU2297992C1 (ru) * | 2005-09-08 | 2007-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Композиционный материал и изделие, выполненное из него |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008134346A (ru) | 2010-02-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101863665B (zh) | 自愈合抗氧化功能纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法 | |
| CN109293383A (zh) | 一种纤维增强碳-碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法 | |
| Luan et al. | Long-term oxidation behavior of C/SiC-SiBCN composites in wet oxygen environment | |
| Li et al. | High strength retention and improved oxidation resistance of C/C composites by utilizing a layered SiC ceramic coating | |
| CN105601344A (zh) | 一种中温抗氧化涂层、其制备方法及炭/炭复合材料制品 | |
| CN103804030A (zh) | 一种用于碳陶刹车盘的防氧化复合涂层的制备方法 | |
| CN112279685A (zh) | 具有环境热障涂层MTaO4的石墨基复合材料及其制备方法 | |
| CN107226707A (zh) | 一种SiC/Si‑B‑C‑Zr陶瓷基复合材料的制备方法 | |
| RU2388727C1 (ru) | Керамический композиционный материал | |
| Chen et al. | High temperature oxidation behavior of silicon carbide ceramic | |
| RU2392250C1 (ru) | Керамический композиционный материал | |
| RU2397969C1 (ru) | Керамический композиционный материал | |
| Lan et al. | Vitreous joining of SiC-coated carbon/carbon composites | |
| Dai et al. | Oxidation behavior and damage mechanism of SiCf/SiC minicomposites with multilayered (BN/SiC) n interfacial coatings at 1200℃ | |
| RU2471751C1 (ru) | Способ получения защитного покрытия и состав шихты для защитного покрытия | |
| CN105236743B (zh) | 具有红外辐射散热作用的高温抗氧化釉层材料及其应用 | |
| Niu et al. | SiC/(SiC+ glass)/glass coating for carbon-bonded carbon fibre composites | |
| Dai et al. | Oxidation Behavior of SiC f/SiC Minicomposites with Multilayered (BN/SiC) n Interfacial Coatings under Humid Environment | |
| RU2560046C1 (ru) | Керамический окислительно-стойкий композиционный материал и изделие, выполненное из него | |
| RU2352543C1 (ru) | Композиционный материал и изделие, выполненное из него | |
| Shan et al. | MDOxidation behavior in wet oxygen environment of Al2O3 modified SiCf/(SiC+ B4C) at 1200° C | |
| RU2447039C1 (ru) | Керамический композиционный материал | |
| CN101274818A (zh) | 低活性阻氢或氢同位素渗透玻璃质壁垒层及其制备方法 | |
| RU2359927C1 (ru) | Керамический композиционный материал | |
| RU2297992C1 (ru) | Композиционный материал и изделие, выполненное из него |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |