RU2034813C1

RU2034813C1 - Composite material

Info

Publication number: RU2034813C1
Authority: RU
Inventors: А.В. Емяшев; В.И. Костиков; С.А. Колесников
Original assignee: Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1995-05-10

Abstract

FIELD: manufacture of ceramic articles. SUBSTANCE: composite material has alternating layers of carbide- silicon matrix containing fiber of silicon carbide SiC-SiC with at least one inner layer containing partially carbidized carbon fiber and coke binding the silicon carbide in matrix. Surface layer provides for reliable protection against oxidation at high temperatures and inner layer provides for enhanced resistance to deformation and thermocycles of entire material. Material is produced by known method which consists in making the carboplastic blank, carbonizing and siliconizing it. Difference in composition in surface and inner layers of the material is achieved through using the cloth made of cheap carbon fiber in manufacturing the carboplastic blank of prepreg which is provided or not provided with coating which is barrier to liquid silicon made of pyrocarbon, for example. These layers having different composition may alternate in the material in thickness; components may also alternate in each layer of material. EFFECT: enhanced reliability. 2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к высокотемпературному материаловедению и предназначено для производства из материала изделий, работающих в высокоскоростных окислительных газовых потоках при высоких температурах. The invention relates to high-temperature materials science and is intended for the production of materials from products that operate in high-speed oxidative gas streams at high temperatures.

Известна разработка композиционного материала "Ceraseр" с наполнителем из волокон карбида кремния, связанных матрицей из карбида кремния, т.е. материала класса "SiС-SiС". Материал не теряет уровня физико-механических свойств после 20-ти часовой выдержки на воздухе при 1200^оС. Однако главным недостатком материала является его дороговизна. Кроме того, этот материал имеет очень высокий модуль упругости (230 ГПа), что ухудшает способность к деформации конструкционных изделий из него, подвергающихся циклическому термическому воздействию.It is known to develop a Ceraseр composite material with a filler of silicon carbide fibers bonded by a silicon carbide matrix, i.e. material of the class "SiС-SiС". The material does not lose the level of physico-mechanical properties after 20-hour exposure to air at 1200 ° ^C. However, the main drawback is its high cost material. In addition, this material has a very high modulus of elasticity (230 GPa), which impairs the ability to deform structural products from it, subjected to cyclic thermal stress.

Технология получения этого материала дорога, сложна и экологически опасна, так как для получения матрицы используется метод осаждения карбида кремния из ядовитых летучих соединений кремния и взрывоопасного водорода. The technology for producing this material is expensive, complex and environmentally hazardous, since the method of deposition of silicon carbide from toxic volatile compounds of silicon and explosive hydrogen is used to obtain the matrix.

Задача изобретения создание материала, по крайней мере не уступающего по требуемым свойствам материалу прототипа, но более дешевого при простой и экологически чистой технологии его получения. The objective of the invention is the creation of material, at least not inferior in terms of the required properties to the material of the prototype, but cheaper with a simple and environmentally friendly technology for its production.

Эта задача решается получением материала с разным составом карбида кремния в поверхностном и внутреннем слоях. This problem is solved by obtaining a material with a different composition of silicon carbide in the surface and inner layers.

Поверхностный слой, обеспечивающий высокую окислительную стойкость (а, следовательно, сохранение физико-механических свойств при эксплуатации на воздухе) представляет материал, аналогичный по составу материалу прототипа, и состоит из 100% карбида кремния. При этом основной внутренний слой материала выполнен из композита "С-SiС", т.е. материала, состоящего из углеродного волокна (или ткани на углеродном волокне), связанного карбидной матрицей. The surface layer that provides high oxidation resistance (and, therefore, the preservation of physico-mechanical properties when used in air) is a material similar in composition to the material of the prototype, and consists of 100% silicon carbide. In this case, the main inner layer of the material is made of a "C-SiC" composite, i.e. a material consisting of carbon fiber (or fabric on carbon fiber) bonded by a carbide matrix.

При этом используется дешевое углеродное волокно, полученное, например, из вискозы. При желании иметь повышенную прочность материала необходимо применять высокопрочные углеродные волокна (типа ВМН-4). In this case, cheap carbon fiber obtained, for example, from viscose is used. If you want to have increased strength of the material, it is necessary to use high-strength carbon fibers (type VMN-4).

Содержание ингредиентов во внутреннем слое "С-SiС" материала составляет: карбид кремния 25-45 мас. (остальное углерод). При содержании карбида кремния более 45 мас. материал хрупок, а при менее 25 мас. он механически (по коэффициенту термического расширения) плохо совместим с материалом поверхностного слоя. Сравнительно низкий (50 ГПа) модуль упругости материала этого слоя улучшает способность к деформации всего материала при термоциклировании. Из общей толщины материала толщина поверхностного защитного слоя составляет 1/6 до 1/4 толщины основного слоя. При толщине меньше 1/6 поверхностный слой недостаточно герметичен и не обладает хорошими защитными от окисления свойствами. При толщине более 1/4 возрастает хрупкость всего материала. The content of ingredients in the inner layer of "C-SiC" material is: silicon carbide 25-45 wt. (the rest is carbon). When the content of silicon carbide is more than 45 wt. the material is fragile, and at less than 25 wt. it is mechanically (in terms of thermal expansion coefficient) poorly compatible with the material of the surface layer. The relatively low (50 GPa) elastic modulus of the material of this layer improves the ability to deform the entire material during thermal cycling. Of the total thickness of the material, the thickness of the surface protective layer is 1/6 to 1/4 of the thickness of the base layer. At a thickness of less than 1/6, the surface layer is not tight enough and does not have good oxidation-protective properties. With a thickness of more than 1/4, the fragility of the entire material increases.

Способ получения материала заключается в следующем. The method of obtaining the material is as follows.

Сначала получают углепластиковую заготовку известным способом (изготовление препрега, его послойная укладка и формование). Затем проводят карбонизацию и силицирование заготовки. При дешевом и простом способе силицирования происходит химическое связывание углеродных волокон и кокса связующего карбидом кремния в результате их взаимодействия с жидким кремнием. First, a carbon fiber preform is obtained in a known manner (preparation of a prepreg, its layering and molding). Then carry out the carbonization and silicification of the workpiece. With a cheap and simple method of silicification, chemical bonding of carbon fibers and coke with a silicon carbide binder occurs as a result of their interaction with liquid silicon.

Разница в составе поверхностного и основного слоев после силицирования достигается за счет меньшей реакционной способности к кремнию углерода внутреннего слоя из-за наличия на нем барьерного к кремнию покрытия, например, из пироуглерода. Барьерное покрытие может быть нанесено либо только на углеродное волокно ткани перед изготовлением из него препрега, либо (получив карбонизованную углепластиковую заготовку для основного слоя) нанесено на все углеродные компоненты (углеродное волокно и кокс связующего) барьерное покрытие из пироуглерода известными способами. Затем напрессовывают препрег на полученную таким путем заготовку и формируют таким образом будущий поверхностный слой, проведя дополнительную операцию его карбонизации. В этом случае препрег не должен иметь барьерное покрытие на углеродном волокне. Затем силицируют уже всю заготовку, получают в материале за один цикл слои (поверхностный и основной) различного состава и назначения. The difference in the composition of the surface and the main layers after silicification is achieved due to the lower reactivity of silicon to the carbon of the inner layer due to the presence of a silicon barrier coating on it, for example, from pyrocarbon. The barrier coating can either be applied only to the carbon fiber of the fabric before the prepreg is made from it, or (having obtained a carbonized carbon-plastic preform for the base layer) all carbon components (carbon fiber and coke binder) are coated with a pyrocarbon barrier coating by known methods. A prepreg is then pressed onto the preform obtained in this way and the future surface layer is thus formed, having carried out an additional operation of its carbonization. In this case, the prepreg should not have a carbon fiber barrier coating. Then the entire preform is siliconized already, layers (surface and basic) of various composition and purpose are obtained in the material in one cycle.

Углеродное волокно и кокс без барьерного покрытия полностью перерабатывается в карбид кремния при силицировании, например 1950-2000^оС в вакууме.Carbon fiber and coke without a barrier coating is completely processed into silicon carbide by silicification, for example 1950-2000 ^about C in vacuum.

В таблице представлены сравнительные данные по относительной деформации ( ε) и критерию термопрочности (способности выдерживать термические циклы) в виде величины ε˙λ / α (критерий Кинджери), где λ и α соответственно коэффициенты теплопроводности и термического расширения для предлагаемого материала и материала прототипа. The table shows comparative data on the relative deformation (ε) and the thermal strength criterion (ability to withstand thermal cycles) in the form of ε величиныλ / α (Kinger's test), where λ and α are the thermal conductivity and thermal expansion coefficients for the proposed material and the prototype material.

Как видно, при одинаковой с прототипом окислительной стойкости предлагаемый материал обладает в 3 раза большей деформативной способностью и в 10 раз большей термопрочностью. As you can see, with the same oxidative stability with the prototype, the proposed material has 3 times more deformation ability and 10 times more heat resistance.

Материал может иметь не только описанную выше трехслойную конструкцию: основной внутренний слой из С-SiС материала с обеих сторон, покрытый слоем из карбида кремния. В ряде случаев целесообразно иметь конструкцию с чередованием этих разносоставных слоев по всей требуемой толщине заготовки. В случае необходимости чередование слоев может осуществляться не только по толщине, но и в плоскости каждого слоя. В любом варианте конструкций будущей защитный поверхностный слой формируется из 2-3-х слоев препрега из ткани на УВ без барьерного покрытия. The material can have not only the three-layer construction described above: the main inner layer of C-SiC material on both sides, coated with a layer of silicon carbide. In some cases, it is advisable to have a design with the alternation of these layers of different layers throughout the required thickness of the workpiece. If necessary, the alternation of layers can be carried out not only in thickness, but also in the plane of each layer. In any design option, the future protective surface layer is formed of 2-3 layers of prepreg from fabric on HC without a barrier coating.

Формование внутреннего слоя заготовки в этом случае производят, проводя поочередную выкладку из препрега на УВ с барьерным покрытием и из препрега на УВ без такового. In this case, the inner layer of the preform is molded by alternately laying out the prepreg on the HC with a barrier coating and from the prepreg on the HC without it.

Claims

1. COMPOSITE MATERIAL, including a matrix of silicon carbide and silicon carbide fiber (SiC-SiC), characterized in that it is layered, and the layers of the composition SiC-SiC alternate with at least one inner layer containing a matrix of silicon carbide, partially carbidized carbon fiber and coke binder.

2. The material according to claim 1, characterized in that the thickness of the surface layers of the composition of SiC-SiC is 1 / 6-1 / 4 of the thickness of the inner layer containing a partially carbidized carbon fiber.