RU2392250C1 - Ceramic composite material - Google Patents
Ceramic composite material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2392250C1 RU2392250C1 RU2009116146/03A RU2009116146A RU2392250C1 RU 2392250 C1 RU2392250 C1 RU 2392250C1 RU 2009116146/03 A RU2009116146/03 A RU 2009116146/03A RU 2009116146 A RU2009116146 A RU 2009116146A RU 2392250 C1 RU2392250 C1 RU 2392250C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite material
- matrix
- ceramic composite
- sic
- silicon
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 16
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(IV) oxide Inorganic materials O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 5
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 14
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 7
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 7
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- NUSDCJCJVURPFV-UHFFFAOYSA-N silicon tetraboride Chemical compound B12B3B4[Si]32B41 NUSDCJCJVURPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 229910003685 SiB4 Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 2
- 229910004129 HfSiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229910006501 ZrSiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021486 amorphous silicon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 239000012784 inorganic fiber Substances 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 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
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 239000012763 reinforcing filler Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 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
Description
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей горячего тракта перспективных газотурбинных установок и газотурбинных двигателей транспортных систем и энергомашиностроения, работающих при температурах до 1600°С в условиях воздействия окислительных сред.The invention relates to ceramic composite materials and can be used in the manufacture of heat-loaded units and parts of the hot tract of promising gas turbine plants and gas turbine engines of transport systems and power engineering, operating at temperatures up to 1600 ° C under the influence of oxidizing environments.
Известен керамический 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 BaO-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).A ceramic composite material is known, which consists of a reinforcing inorganic fiber and a matrix comprising 40-95 wt.% Of the SiC phase and 5-60 wt.% Of the oxide phase. The oxide phase may be ZrSiO 4 or a glass-ceramic phase of the compositions BaO-MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 or SrO-Al 2 O 3 -SiO 2 . The average elemental composition of the SiC phase is, wt.%: 30-80 Si, 15-69 C, 0.005-20 O or 30-80 Si, 10-65 C, 0.005-25 O (US patent No. 6331496).
Недостатком указанного композиционного материала является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры 1600°С в течение длительного времени.The disadvantage of this composite material is low heat resistance in air when exposed to a temperature of 1600 ° C for a long time.
Известен керамический композиционный материал, армированный волокнами SiC с керамической матрицей, содержащей SiC в виде кристаллов в количестве до 70 мас.% и гранулы SiC из синтетического композиционного нанопорошка (заявка Франция №2849022).Known ceramic composite material reinforced with SiC fibers with a ceramic matrix containing SiC in the form of crystals in an amount of up to 70 wt.% And SiC granules from synthetic composite nanopowder (application France No. 2849022).
Недостатком известного композиционного материала является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры выше 1200°С за счет деградации защитной аморфной пленки SiO2 с образованием кристобалита, вызывающего необратимые объемные изменения, приводящие к растрескиванию защитной пленки и потере массы композиционного материала.A disadvantage of the known composite material is low heat resistance in air when exposed to temperatures above 1200 ° C due to the degradation of the protective amorphous SiO 2 film with the formation of cristobalite, causing irreversible volume changes, leading to cracking of the protective film and weight loss of the composite material.
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.%:The closest analogue taken as a prototype is a ceramic composite material containing carbon fibers and a matrix including silicon, carbon, silicon tetraboride, silicon carbide in the following ratio of matrix components, wt.%:
Недостатком композиционного материала - прототипа являются недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при рабочей температуре 1600°С.The disadvantage of the composite material of the prototype is insufficient heat resistance (high loss of mass) at an operating temperature of 1600 ° C.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала при рабочей температуре 1600°С в течение длительного времени (200 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 диоксид гафния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:The technical task of the invention is to increase the heat resistance of the composite material at an operating temperature of 1600 ° C for a long time (200 hours). The stated technical problem is achieved by the fact that the proposed ceramic composite material containing carbon fibers and a matrix including silicon, carbon, silicon tetraboride, silicon carbide, while the matrix additionally contains silicon dioxide and hafnium dioxide in the following ratio of matrix components, wt.%:
Установлено, что сбалансированное введение в матрицу наномодификаторов - двухкомпонентной золь-системы на основе диоксида кремния и диоксида гафния при заявленных соотношениях и содержаниях компонентов приводит к образованию при воздействии кислорода воздуха в процессе нагревов наноструктурированной тугоплавкой стекловидной фазы переменного состава в системе «высококремнеземное стекло -HfO2-HfSiO4, обеспечивающей самозалечивание при окислении и герметизацию возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., и тем самым повышающей жаростойкость керамического композиционного материала при воздействии рабочей температуры 1600°С в течение длительного времени.It has been established that the balanced introduction of a nanomodifier — a two-component sol-system based on silicon dioxide and hafnium dioxide into the matrix at the stated ratios and contents of the components — leads to the formation of a glassy phase of variable composition in the high-silica glass-HfO 2 system when exposed to oxygen during heating -HfSiO 4 , which provides self-healing during oxidation and sealing of possible microdefects of the matrix in the form of microcracks, pores, etc., and thereby increasing the heat resistance of the ceramic composite material when exposed to a working temperature of 1600 ° C for a long time.
Примеры осуществленияExamples of implementation
Для получения керамического композиционного материала были приготовлены композиции предлагаемого материала (1-3) и материала-прототипа (4), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.To obtain a ceramic composite material, the compositions of the proposed material (1-3) and the prototype material (4) were prepared, the ratio of the components in which are shown in table 1.
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.Dispersed particles of a matrix of silicon carbide, silicon, carbon (SiC, Si, C) were mixed with particles of silicon tetraboride (SiB 4 ) and carbon fibers in polyethylene drums. The carbon fiber UKNP-5000 was used as the carbon fiber material.
Полученную смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при температурах 150-180°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1600-1700°С.The resulting mixture was poured into the mold and pressed at temperatures of 150-180 ° C. Then the billet was subjected to high temperature heat treatment in a vacuum oven at a temperature of 1600-1700 ° C.
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем диоксида кремния SiO2 с добавлением нанопорошка диоксида гафния (НfO2).After heat treatment in a vacuum, the samples were impregnated with a silica sol of SiO 2 with the addition of hafnium dioxide nanopowder (HfO 2 ).
Анализ полученных результатов (табл.2) свидетельствует о том, что предлагаемый керамический композиционный материал при 1600°С в течение 200 часов обладает высокой жаростойкостью. Материал-прототип при обработке теряет часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к убыли массы после 50 часов испытаний и к его разрушению после испытаний в течение 100 часов при 1600°С.Analysis of the results (table 2) indicates that the proposed ceramic composite material at 1600 ° C for 200 hours has high heat resistance. The prototype material during processing loses part of the carbon of the reinforcing filler, which leads to weight loss after 50 hours of testing and to its destruction after testing for 100 hours at 1600 ° C.
Привес массы образцов (0,9-3,4 мас.%), связанный с образованием тугоплавкой стекловидной фазы при нагревах на воздухе при температуре 1600°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала в течение длительного времени (до 200 часов), предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.The weight gain of the samples (0.9-3.4 wt.%), Associated with the formation of a refractory glassy phase when heated in air at a temperature of 1600 ° C, confirms the protective effect of the matrix of the proposed compositions of the composite material for a long time (up to 200 hours) , which prevents the diffusion of air oxygen deep into the sample and prevents the oxidation of carbon fiber reinforcement.
Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала в теплонагруженных узлах и деталях горячего тракта перспективных газотурбинных установок и газотурбинных двигателей транспортных систем и энергомашиностроения позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1600°С в течение длительного времени, соответственно повысить надежность и ресурс изделий.Thus, the use of the proposed composite material in heat-loaded nodes and parts of the hot tract of promising gas turbine units and gas turbine engines of transport systems and power engineering can increase their heat resistance at an operating temperature of 1600 ° C for a long time, and accordingly increase the reliability and resource of products.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009116146/03A RU2392250C1 (en) | 2009-04-29 | 2009-04-29 | Ceramic composite material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009116146/03A RU2392250C1 (en) | 2009-04-29 | 2009-04-29 | Ceramic composite material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2392250C1 true RU2392250C1 (en) | 2010-06-20 |
Family
ID=42682694
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009116146/03A RU2392250C1 (en) | 2009-04-29 | 2009-04-29 | Ceramic composite material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2392250C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447039C1 (en) * | 2010-10-05 | 2012-04-10 | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Ceramic composite material |
| RU2560046C1 (en) * | 2014-10-07 | 2015-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Ceramic oxidating-resistant composite material and product made from it |
| RU2663146C1 (en) * | 2017-09-19 | 2018-08-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Key material for high-temperature applications |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6331496B2 (en) * | 1998-09-16 | 2001-12-18 | Research Institute Of Advanced Material Gas-Generator, Ltd. | High performance ceramic matrix composite |
| RU2193539C2 (en) * | 2001-01-09 | 2002-11-27 | Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Composite |
| JP2004340193A (en) * | 2003-05-13 | 2004-12-02 | Honda Motor Co Ltd | Manufacturing method of brake disc |
| RU2297992C1 (en) * | 2005-09-08 | 2007-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Composite material and the article made out of it |
-
2009
- 2009-04-29 RU RU2009116146/03A patent/RU2392250C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6331496B2 (en) * | 1998-09-16 | 2001-12-18 | Research Institute Of Advanced Material Gas-Generator, Ltd. | High performance ceramic matrix composite |
| RU2193539C2 (en) * | 2001-01-09 | 2002-11-27 | Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Composite |
| JP2004340193A (en) * | 2003-05-13 | 2004-12-02 | Honda Motor Co Ltd | Manufacturing method of brake disc |
| RU2297992C1 (en) * | 2005-09-08 | 2007-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Composite material and the article made out of it |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447039C1 (en) * | 2010-10-05 | 2012-04-10 | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Ceramic composite material |
| RU2560046C1 (en) * | 2014-10-07 | 2015-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Ceramic oxidating-resistant composite material and product made from it |
| RU2663146C1 (en) * | 2017-09-19 | 2018-08-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Key material for high-temperature applications |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Han et al. | Preparation and characterization of SiC whisker-reinforced SiC porous ceramics for hot gas filtration | |
| Wang et al. | Gradient structure high emissivity MoSi2-SiO2-SiOC coating for thermal protective application | |
| Luo et al. | Tension-tension fatigue behavior of a PIP SiC/SiC composite at elevated temperature in air | |
| RU2392250C1 (en) | Ceramic composite material | |
| Chen et al. | The effects of zirconium diboride particles on the ablation performance of carbon–phenolic composites under an oxyacetylene flame | |
| Flores et al. | Processing and characterization of large diameter ceramic SiCN monofilaments from commercial oligosilazanes | |
| Gu et al. | Microstructure evolution and oxidation resistance of CaO-Al2O3-SiO2/ZrO2-borosilicate multilayer coating for C/C composites | |
| Li et al. | Oxidation resistance of a gradient self-healing coating for carbon/carbon composites | |
| Wang et al. | Oxidation mechanism of SiC–Zirconia–Glass ceramic coated carbon/carbon composites at 1123–1273 K | |
| RU2458888C1 (en) | Method of producing protective coatings on articles with carbon-containing base | |
| Chen et al. | High temperature oxidation behavior of silicon carbide ceramic | |
| Chang et al. | High-temperature mechanical properties of a solid oxide fuel cell glass sealant in sintered forms | |
| Mall et al. | Effects of moisture on tensile stress rupture behavior of a SiC/SiC composite at elevated temperatures | |
| RU2560046C1 (en) | Ceramic oxidating-resistant composite material and product made from it | |
| Koňáková et al. | Influence of basalt fibres and aggregates on the thermal expansion of cement-based composites | |
| Niu et al. | SiC/(SiC+ glass)/glass coating for carbon-bonded carbon fibre composites | |
| Wang et al. | Fabrication of oxidation protective coatings on C/C–SiC brake materials at room temperature | |
| Dai et al. | Oxidation Behavior of SiC f/SiC Minicomposites with Multilayered (BN/SiC) n Interfacial Coatings under Humid Environment | |
| RU2447039C1 (en) | Ceramic composite material | |
| Ji et al. | Mechanical properties and oxidation behaviors of self-healing SiCf/SiC-SiBCN composites exposed to H2O/O2/Na2SO4 environments | |
| RU2352543C1 (en) | Composite material and product made of it | |
| RU2388727C1 (en) | Ceramic composite material | |
| RU2397969C1 (en) | Ceramic composite material | |
| RU2530802C1 (en) | Ceramic composite material | |
| RU2297992C1 (en) | Composite material and the article made out of it |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110430 |