RU2038339C1

RU2038339C1 - Compound material production method

Info

Publication number: RU2038339C1
Authority: RU
Inventors: Е.С. Барсукова; В.В. Будов
Original assignee: Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: inorganic compound materials production. SUBSTANCE: compound production method provides for preparation of slip of fibres in polar liquid, two-staged dispersion of the slip, its combining with die material powder, produced mixture drying and compound moulding. In the case, felt-like fibres are preliminary classified to aggregates wit size of no more than 3 mm. Slip is prepared on the base of both polar and nonpolar liquid in the form of suspension with fibre concentration of no more than 1 mass Suspension is dispersed by one run for 1 3 minutes with following separation of firm nonfibrous ingredients. Mixture before drying is compacted by filtering in vacuum. EFFECT: inorganic compound material production method is used in used in space, aviation, motor cars industries. 3 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к композиционным материалам, в частности неорганическим материалам, армированным дискретными керамическими волокнами, которые могут быть использованы в космической, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности в качестве высоконагруженных элементов конструкций. The invention relates to composite materials, in particular inorganic materials reinforced with discrete ceramic fibers, which can be used in space, aviation, automobile and other industries as highly loaded structural elements.

Известен способ изготовления композитов на основе керамических материалов, армированных короткими волокнами SiC [1] По этому способу непрерывное волокно нарезают на отрезки длиной 1-3 см и, используя технологию бумажного дела, формируют из них листы, которые затем пропитывают шликером на основе керамического порошка, предварительно удалив полимерную связку. После этого пластины пакетируют и уплотняют с помощью горячего прессования. A known method of manufacturing composites based on ceramic materials reinforced with short SiC fibers [1] According to this method, a continuous fiber is cut into lengths of 1-3 cm and using paper technology, sheets are formed from them, which are then impregnated with a slip based on ceramic powder, previously removing the polymer bond. After this, the plates are packaged and compacted by hot pressing.

Подобная технология не позволяет получать изделия сложной формы и с изотропной структурой в силу того, что слои волокон чередуются с прослойками стекла (керамики). Структура фоpмиpуемых композитов получается слоистой. Кроме того, весь процесс изготовления осложнен операциями нарезки и склеивания волокон в виде листов. This technology does not allow to obtain products of complex shape and with an isotropic structure due to the fact that the layers of fibers alternate with layers of glass (ceramics). The structure of the composites formed is layered. In addition, the entire manufacturing process is complicated by the operations of cutting and gluing fibers in the form of sheets.

В этом способе короткое волокно получают нарезкой непрерывного. Поскольку волокна данного вида имеют диаметр 10-20 мкм, а длина их составляет несколько сантиметров, то соединение волокон с матрицей ограничивается способом шликерной пропитки одноосных препрегов и не позволяет использовать традиционные методы порошковой технологии сухое и мокрое смешение. In this method, a short fiber is obtained by cutting continuous. Since fibers of this type have a diameter of 10-20 μm, and their length is several centimeters, the connection of the fibers with the matrix is limited by the method of slip impregnation of uniaxial prepregs and does not allow the use of traditional methods of powder technology dry and wet mixing.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения композита на основе неорганической матрицы, армированной нитевидными кристаллами (НК) SiC [2] Способ включает приготовление шликера из НК в полярной жидкости, его последовательное диспергирование с помощью мешалки и шаровой мельницы, соединение шликера с порошком матрицы, сушку полученной смеси и формование композита методом горячего прессования. Рекомендуемая концентрация волокон в композите 0,01-30 мас. время диспергирования мешалкой 30 мин, в шаровой мельнице 1 ч. В качестве полярной жидкости используют н/бутанол. Closest to the proposed technical essence and the achieved result is a method of producing a composite based on an inorganic matrix reinforced with whiskers SiC [2] The method includes preparing a slip from nanocrystals in a polar liquid, its sequential dispersion using a stirrer and a ball mill, compound slip with matrix powder, drying the resulting mixture and molding the composite by hot pressing. The recommended concentration of fibers in the composite is 0.01-30 wt. dispersion time with a stirrer 30 minutes, in a ball mill 1 hour. As a polar liquid, n / butanol is used.

Этот способ характеризуется значительными временными затратами на изготовление полуфабриката композита (7-8 ч). Существенным недостатком способа является продолжительное механическое воздействие на волокна при диспеpгировании, значительное укорачивание волокон приводит к снижению характеристического параметра L/d (отношение длины волокна к его диаметру), что не позволяет эффективно реализовать в композите механизм упрочнения. Кроме того, в материале могут сохраняться дефекты твердые включения, не поддающиеся механическому измельчению и ухудшающие свойства композиционного материала. This method is characterized by significant time costs for the manufacture of a semi-finished composite (7-8 hours). A significant drawback of the method is the prolonged mechanical effect on the fibers during dispersion, a significant shortening of the fibers leads to a decrease in the characteristic parameter L / d (the ratio of fiber length to its diameter), which does not allow the hardening mechanism to be effectively implemented in the composite. In addition, defects in the material can include solid inclusions that are not amenable to mechanical grinding and impair the properties of the composite material.

Задачей предлагаемого изобретения является сокращение длительности изготовления композита, обеспечение его структурной однородности и уменьшение степени повреждения волокон при изготовлении. The objective of the invention is to reduce the duration of the manufacture of the composite, ensuring its structural uniformity and reducing the degree of damage to the fibers during manufacture.

Для этого в способе получения композита, включающем приготовление шликера из дискретных волокон, последовательное двухстадийное диспергирование этого шликера, соединение его с порошком материала матрицы, сушку полученной смеси и формование композита, волокно предварительно классифицируют до агрегатов размером не более 3 мм, из них готовят шликер в виде разбавленной суспензии на основе полярной или неполярной жидкости, суспензию диспергируют в один прием с последующим отделением твердых включений, а смесь перед сушкой уплотняют посредством фильтрования под разрежением. For this, in a method for producing a composite, which includes preparing a slip from discrete fibers, sequential two-stage dispersion of this slip, combining it with a powder of the matrix material, drying the resulting mixture and molding the composite, the fiber is pre-classified to aggregates with a size of no more than 3 mm, from which a slip is prepared into in the form of a diluted suspension based on polar or non-polar liquid, the suspension is dispersed in one step, followed by separation of solids, and the mixture is compacted before drying stvom suction filtration.

Предлагаемое изобретение позволяет получать высокооднородные устойчивые суспензии волокон, обеспечивая тем самым изотропную структуру и повышенные механические свойства готовых композиционных материалов. Для получения устойчивой волокнистой суспензии используют один из существующих способов стабилизации: электростатический, когда агрегативная устойчивость суспензии определяется значениями рН дисперсионной среды, или полимерный, основанный на стерическом отталкивании между частицами, окруженными слоем полимерных молекул углеводорода. Уплотняя такого рода суспензии, можно получать композитные полуфабрикаты со значительно большей структурной однородностью, чем в случае использования концентрированного шликера. The present invention allows to obtain highly homogeneous stable suspension of fibers, thereby providing an isotropic structure and increased mechanical properties of the finished composite materials. To obtain a stable fibrous suspension, one of the existing stabilization methods is used: electrostatic, when the aggregate stability of the suspension is determined by the pH of the dispersion medium, or polymer based on steric repulsion between particles surrounded by a layer of polymer hydrocarbon molecules. By compacting such suspensions, it is possible to obtain composite semi-finished products with significantly greater structural homogeneity than in the case of using a concentrated slip.

В качестве матрицы используют порошки различных керамических материалов и стекол со средним размером частиц 5-10 мкм. В качестве армирующих волокон используют дискретные керамические волокна со средним диаметром 0,5-5 мкм. Компоненты смешивают в следующем соотношении, мас. As a matrix, powders of various ceramic materials and glasses with an average particle size of 5-10 microns are used. As reinforcing fibers, discrete ceramic fibers with an average diameter of 0.5-5 microns are used. The components are mixed in the following ratio, wt.

Матрица 50-95
Волокно 5-50
Волокно, представляющее собой войлокообразную массу, предварительно протирают через сито с размером ячейки не более 3 мм для облегчения их последующего диспергирования. Выбор максимального размера ячейки сита обусловлен тем фактом, что волокнистые агрегаты размером более 3 мм плохо поддаются диспергированию мешалкой и не позволяют получать устойчивую волокнистую суспензию. Классифицированные волокна помещают в выбранную жидкость и диспергируют высокоскоростной мешалкой в течение 1-3 мин. Осевшие на дно твердые включения удаляют декантацией. Концентрация волокон в суспензии не превышает 1 мас. Затем в суспензию вводят порошок матрицы и перемешивают 30 с. Сразу после этого суспензию уплотняют на вакуум-фильтре. Образовавшийся осадок высушивают в сушильном шкафу при 130-150^оС в течение 1 ч, затем формуют полуфабрикат одним из существующих в порошковой технологии способов прессования. В качестве дисперсионной среды рекомендуется использовать дистиллированную воду, рН которой регулируют добавлением соответствующих количеств растворов HCl и NH₃. В качестве альтернативных вариантов для получения суспензии можно использовать различные спирты или неполярные углеводороды. В частности, в изопропаноле процесс диспергирования волокон ускоряется в 3 раза.Matrix 50-95
Fiber 5-50
The fiber, which is a felt-like mass, is preliminarily rubbed through a sieve with a mesh size of not more than 3 mm to facilitate their subsequent dispersion. The choice of the maximum mesh cell size is due to the fact that fibrous aggregates larger than 3 mm are difficult to disperse with a mixer and do not allow to obtain a stable fibrous suspension. The classified fibers are placed in a selected liquid and dispersed with a high-speed stirrer for 1-3 minutes. Solid inclusions deposited to the bottom are removed by decantation. The concentration of fibers in the suspension does not exceed 1 wt. Then the matrix powder is introduced into the suspension and mixed for 30 s. Immediately after this, the suspension is sealed on a vacuum filter. The precipitate formed is dried in an oven at 130-150 ^C for 1 h, then a semi-finished product formed from existing methods in the powder pressing technology. As a dispersion medium, it is recommended to use distilled water, the pH of which is regulated by the addition of appropriate quantities of HCl and NH ₃ solutions. As alternatives to the suspension, various alcohols or non-polar hydrocarbons may be used. In particular, in isopropanol the process of dispersing fibers is accelerated by 3 times.

Для достижения поставленной задачи необходимо соблюдение предлагаемых параметров режима смешения. Если концентрация волокон в суспензии превышает 1 мас. система становится седиментационно неустойчивой и быстро расслаивается. Слишком малая концентрация волокон нецелесообразна по причине низкой производительности процесса. Оптимальным является содержание волокон 0,7-0,8 мас. Предлагаемое время диспергирования (1-3 мин) необходимо для разрушения рыхлых волокнистых агломератов, а увеличение продолжительности механического воздействия приводит к дополнительному повреждению волокон. To achieve the task it is necessary to comply with the proposed parameters of the mixing mode. If the concentration of fibers in the suspension exceeds 1 wt. the system becomes sedimentary unstable and quickly stratifies. Too low fiber concentration is not practical due to the low productivity of the process. The optimal fiber content is 0.7-0.8 wt. The proposed dispersion time (1-3 min) is necessary for the destruction of loose fibrous agglomerates, and an increase in the duration of mechanical action leads to additional damage to the fibers.

П р и м е р 1. К 2 г дискретных волокон муллитового состава, пропущенных через сито 1 мм, добавляют 300 мл дистиллированной воды и доводят рН суспензии до 10 с помощью 3%-ного раствора аммиака. Суспензию диспергируют высокоскоростной мешалкой в стеклянной емкости в течение 3 мин. Осевшие на дно твердые частицы удаляют декантацией. Затем в суспензию вводят 8 г магнийалюмосиликатного стекла и перемешивают 30 с. После этого смесь уплотняют на вакуум-фильтре. Описанную последовательность операций повторяют столько раз, сколько необходимо для получения полуфабриката требуемой толщины (обычно 4-5 раз). После сушки полуфабрикат формуют горячим прессованием. Готовый композит содержит 20 мас. волокон, равномерно распределенных в стеклокристаллической матрице. Процесс получения полуфабриката занимает 3-4 ч. PRI me R 1. To 2 g of discrete fibers of mullite composition, passed through a 1 mm sieve, add 300 ml of distilled water and adjust the pH of the suspension to 10 using a 3% solution of ammonia. The suspension is dispersed with a high-speed stirrer in a glass container for 3 minutes. Solid particles settled to the bottom are removed by decantation. Then 8 g of magnesium aluminum silicate glass was introduced into the suspension and stirred for 30 s. After that, the mixture is sealed on a vacuum filter. The described sequence of operations is repeated as many times as necessary to obtain a semi-finished product of the required thickness (usually 4-5 times). After drying, the semi-finished product is formed by hot pressing. The finished composite contains 20 wt. fibers uniformly distributed in the glass crystal matrix. The process of obtaining a semi-finished product takes 3-4 hours.

П р и м е р 2. Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве матрицы используют порошок α -Al₂O₃, а в качестве армирующего компонента нитевидные кристаллы SiC.PRI me R 2. The process is carried out analogously to example 1, but as the matrix using powder α-Al ₂ O ₃ and as a reinforcing component whiskers SiC.

В таблице приведены примеры получения композитных полуфабрикатов предлагаемым способом при разных условиях. The table shows examples of the preparation of composite semi-finished products of the proposed method under different conditions.

Полученные предлагаемым способом волокнистые полуфабрикаты характеризуются структурной однородностью, высокой относительной плотностью (60-70%), значительно меньшей степенью разрушения волокон по сравнению с прототипом: параметр L/d у волокон в данном случае составляет 40-50, а случае использования прототипа менее 10. При общей простоте процесса и более низкой ( в 1,5-2 раза) продолжительности изготовления изделий способ является универсальным и позволяет получать как пористые, так и плотноспеченные композиты на основе различных неорганических материалов и керамических волокон. Obtained by the proposed method, fibrous semi-finished products are characterized by structural homogeneity, high relative density (60-70%), a significantly lower degree of destruction of the fibers compared to the prototype: the L / d parameter for the fibers in this case is 40-50, and when using the prototype less than 10. With the general simplicity of the process and a lower (1.5-2 times) duration of the manufacture of products, the method is universal and allows to obtain both porous and densely sintered composites based on various inorganically x materials and ceramic fibers.

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING A COMPOSITE MATERIAL based on an inorganic matrix reinforced with discrete ceramic fibers, including preparing a slip by mixing the fibers in a liquid medium, dispersing the slip, combining it with the powder of the matrix material, drying the resulting mixture and molding the composite, characterized in that the fibers are in the form of a felt the masses are pre-classified to aggregates with a size of not more than 3 mm, the slip is prepared in a liquid medium in the form of a suspension with a fiber concentration of not more than 1 wt. dispersion is carried out in one step for 1-3 minutes, followed by separation of solids, and before drying, the mixture is compacted by filtration under vacuum.

2. The method according to claim 1, characterized in that the polar medium is used as the liquid medium.

3. The method according to claim 1, characterized in that the non-polar liquid is used as the liquid medium.