RU2352543C1 - Composite material and product made of it - Google Patents
Composite material and product made of it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2352543C1 RU2352543C1 RU2007130356/03A RU2007130356A RU2352543C1 RU 2352543 C1 RU2352543 C1 RU 2352543C1 RU 2007130356/03 A RU2007130356/03 A RU 2007130356/03A RU 2007130356 A RU2007130356 A RU 2007130356A RU 2352543 C1 RU2352543 C1 RU 2352543C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite material
- sic
- matrix
- heat resistance
- rest
- Prior art date
Links
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей авиационно-космической техники, в наземных энергетических, нефтегазоперекачивающих, транспортных системах и новых областях общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1550°С.The invention relates to ceramic composite materials and can be used in the manufacture of heat-loaded units and parts of aerospace technology, in ground energy, oil and gas, transport systems and new areas of general and special engineering, operating at temperatures up to 1550 ° C.
Известен 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 ВаО-MgO-Al2O3-SiO2 или SrO-Al2О3-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).Known composite material, which consists of a reinforcing inorganic fiber and a matrix comprising 40-95 wt.% SiC phase and 5-60 wt.% 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 1550°С в течение длительного времени.The disadvantage of this composite material is low heat resistance in air when exposed to a temperature of 1550 ° C for a long time.
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.%:A known composite material containing carbon fibers and a matrix consisting of silicon carbide, boron and pyrocarbon distributed in its volume and on the surface of the material in the following ratio of components in the matrix, wt.%:
(патент РФ №2203218).(RF patent No. 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.Composite material can be used in the manufacture of products, such as o-rings, operating in aggressive environments and in air at a temperature of 900 ° C for 1 hour.
Недостатком материала и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1500°С.The disadvantage of the material and its products is insufficient heat resistance (high loss of mass) at a temperature of 1500 ° C.
Известен 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 Франции №2849022).Known 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 a synthetic composite nanopowder (French application No. 2849022).
Недостатком известного композиционного материала и изделий из него является низкая жаростойкость на воздухе при воздействии температуры выше 1200°С за счет образования защитной аморфной пленки SiO2 и пузырьков газообразных продуктов окисления, приводящих с течением времени к потере массы.A disadvantage of the known composite material and products made of it is the low heat resistance in air when exposed to temperatures above 1200 ° C due to the formation of a protective amorphous SiO 2 film and bubbles of gaseous oxidation products, resulting in mass loss over time.
Для улучшения свойств композиционных материалов SiCвол/SiC получены интерфазные защитные покрытия на основе борсодержащих соединений нитрида бора BN или В4С на непрерывных волокнах SiC, которые служат не только для отклонения матричных трещин, но и для повышения окислительной стойкости, препятствуя деградации волокон.To improve the properties of SiC ox / SiC composite materials, interphase protective coatings based on boron-containing boron nitride compounds BN or В 4 С on continuous SiC fibers were obtained, which serve not only to deflect matrix cracks, but also to increase oxidative stability, preventing fiber degradation.
Регулируемым осаждением слоев SiC, BxC, Si-B-C и Si-B-N получены многослойные композиционные материалы. Слоистые материалы на основе композиционных материалов SiC-SiC с защитными интерфазными борсодержащими покрытиями В4С, BN, полученными в тройной системе Si-B-C, Si-B-N, обладают способностью самозалечивания матрицы. Устойчивость к окислению композиционного материала типа SiCвол/BN/SiC с интерфазным покрытием BN при умеренных температурах улучшается по сравнению с композиционным материалом типа SiCвол/С/SiC, не содержащим соединений бора. Однако эти композиционные материалы не сохраняют устойчивость к окислению при температурах выше 1500°С.Multilayer composite materials are obtained by controlled deposition of SiC, B x C, Si-BC and Si-BN layers. Layered materials based on composite materials SiC-SiC with protective interfacial boron-containing coatings B 4 C, BN, obtained in the ternary system Si-BC, Si-BN, have the ability to self-heal the matrix. The oxidation stability of a composite material of the type SiC vol / BN / SiC with an interfacial coating of BN at moderate temperatures is improved compared to a composite material of the type SiC vol / C / SiC not containing boron compounds. However, these composite materials do not retain oxidation stability at temperatures above 1500 ° C.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:The closest analogue taken for the prototype is a composite material containing carbon fibers and a matrix including silicon, carbon, silicon tetraboride, silicon carbide in the following ratio of matrix components, wt.%:
и изделие, выполненное из него (патент РФ №2297992).and an article made from it (RF patent No. 2297992).
Недостатком композиционного материала-прототипа и изделий из него является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при рабочей температуре 1550°С.The disadvantage of the composite material of the prototype and products from it is insufficient heat resistance (high loss of mass) at an operating temperature of 1550 ° C.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение жаростойкости композиционного материала и изделий, выполненных из него, при рабочей температуре 1550°С в течение длительного времени.The technical task of the invention is to increase the heat resistance of the composite material and products made from it at an operating temperature of 1550 ° C for a long time.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, при этом матрица дополнительно содержит диоксид кремния при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:The stated technical problem is achieved by the fact that the proposed composite material containing carbon fibers and a matrix including silicon, carbon, silicon tetraboride, silicon carbide, while the matrix additionally contains silicon dioxide in the following ratio of matrix components, wt.%:
и изделие, выполненное из него.and an article made from it.
Авторами установлено, что введение в матрицу диоксида кремния при заявленных соотношениях и содержаниях компонентов приводит к образованию тугоплавкого высококремнеземного стекла при воздействии кислорода воздуха, обеспечивающего герметизацию возможных микродефектов матрицы в виде микротрещин, пор и т.п., и, тем самым, повышает жаростойкость композиционного материала и изделий из него при воздействии рабочей температуры 1550°С в течение длительного времени.The authors found that the introduction of silicon dioxide into the matrix at the stated ratios and contents of the components leads to the formation of refractory high-silica glass when exposed to oxygen, which provides sealing of possible microdefects of the matrix in the form of microcracks, pores, etc., and thereby increases the heat resistance of the composite material and products from it when exposed to an operating temperature of 1550 ° C for a long time.
Примеры осуществленияExamples of implementation
Для получения композиционного материала были приготовлены композиции предлагаемого материала (1-3) и материала-прототипа (4), соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1.To obtain a composite material, the compositions of the proposed material (1-3) and the prototype material (4) were prepared, the ratio of 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 120-150°С. Затем пресс-заготовки подвергали высокотемпературной термообработке в вакуумной печи при температуре 1500°С.The resulting mixture was poured into the mold and pressed at temperatures of 120-150 ° C. Then the billet was subjected to high temperature heat treatment in a vacuum oven at a temperature of 1500 ° C.
После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем диоксида кремния SiO2 с промежуточными сушками на воздухе.After heat treatment in vacuo, the samples were impregnated with a silica sol of SiO 2 with intermediate drying in air.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что жаростойкость предлагаемого композиционного материала и изделий, выполненных из него, выше по сравнению с материалом-прототипом, который теряет при обработке часть углерода армирующего наполнителя, что приводит к его разрушению после испытаний при 1550°С в течение 100 часов (см. табл.2).Analysis of the obtained results indicates that the heat resistance of the proposed composite material and products made from it is higher compared to the prototype material, which loses part of the carbon of the reinforcing filler during processing, which leads to its destruction after testing at 1550 ° C for 100 hours (see table 2).
Привес массы образцов (1,8-4,3 мас.%), связанный с образованием высококремнеземной стеклосвязки при нагревах на воздухе при температуре 1550°С, подтверждает наличие защитного эффекта матрицы предлагаемых составов композиционного материала в течение длительного времени (до 500 часов), предотвращающего диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующего окислению углеродного армирующего волокна.The weight gain of the samples (1.8-4.3 wt.%) Associated with the formation of high-silica glass-bonded during heating in air at a temperature of 1550 ° C, confirms the protective effect of the matrix of the proposed compositions of the composite material for a long time (up to 500 hours), preventing the diffusion of air oxygen deep into the sample and preventing the oxidation of carbon fiber reinforcement.
Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала в тяжелонагруженных узлах и деталях авиационно-космической техники, наземных энергетических и нефтегазоперекачивающих систем позволяет увеличить их жаростойкость при рабочей температуре 1550°С в течение длительного времени и, соответственно, повысить надежность и ресурс изделий.Thus, the use of the proposed composite material in heavily loaded components and parts of aerospace engineering, ground-based energy and oil and gas pumping systems can increase their heat resistance at a working temperature of 1550 ° C for a long time and, accordingly, increase the reliability and resource of products.
Si
С
SiB4
SiO2
SiCMatrix:
Si
FROM
SiB 4
SiO 2
SiC
25
1,5
5
ост.27
25
1,5
5
rest
32
0,8
3
ост.35
32
0.8
3
rest
40
0,1
1
ост.twenty
40
0.1
one
rest
32
4
-
ост.28
32
four
-
rest
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007130356/03A RU2352543C1 (en) | 2007-08-08 | 2007-08-08 | Composite material and product made of it |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007130356/03A RU2352543C1 (en) | 2007-08-08 | 2007-08-08 | Composite material and product made of it |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2352543C1 true RU2352543C1 (en) | 2009-04-20 |
Family
ID=41017701
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007130356/03A RU2352543C1 (en) | 2007-08-08 | 2007-08-08 | Composite material and product made of it |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2352543C1 (en) |
-
2007
- 2007-08-08 RU RU2007130356/03A patent/RU2352543C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Cairo et al. | Functionally gradient ceramic coating for carbon–carbon antioxidation protection | |
JP4046350B2 (en) | Composite material protected from oxidation by self-healing matrix and method for producing the same | |
Luo et al. | Tension-tension fatigue behavior of a PIP SiC/SiC composite at elevated temperature in air | |
Tang et al. | Fabrication and characterization of an ultra‐high‐temperature carbon fiber‐reinforced ZrB2–SiC matrix composite | |
Wang et al. | Gradient structure high emissivity MoSi2-SiO2-SiOC coating for thermal protective application | |
JP4014254B2 (en) | Si concentration step-variable Si-SiC material, Si concentration step change-type SiC fiber reinforced Si-SiC composite material, and production method thereof | |
Chen et al. | The effects of zirconium diboride particles on the ablation performance of carbon–phenolic composites under an oxyacetylene flame | |
Sogabe et al. | Improvement in properties and air oxidation resistance of carbon materials by boron oxide impregnation | |
Luan et al. | Wet oxidation behavior of SiC/(SiC‐SiBCN) x composites prepared by CVI combined with PIOP process | |
Li et al. | Oxidation resistance of a gradient self-healing coating for carbon/carbon composites | |
Liang et al. | Enhanced mechanical properties of SiC reticulated porous ceramics via adjustment of residual stress within the strut | |
Chen et al. | A self-healing environmental barrier coating: TiSi2-doped Y2Si2O7/barium strontium aluminosilicate coating | |
Wang et al. | Fabrication, thermal shock resistance, and dielectric property of α‐Si3N4‐based ceramic coating on porous Si3N4 ceramics | |
CN1307045C (en) | Honeycomb-shaped carbon element | |
RU2352543C1 (en) | Composite material and product made of it | |
Chen et al. | High temperature oxidation behavior of silicon carbide ceramic | |
RU2392250C1 (en) | Ceramic composite material | |
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 | |
Chen et al. | Environmental barrier coatings for silicon nitride | |
Yin et al. | Oxidation behaviour of three-dimensional woven C/SiC composites | |
Zheng et al. | The High‐Temperature Oxidation Behavior of Reaction‐Bonded Porous Silicon Carbide Ceramics in Dry Oxygen | |
RU2388727C1 (en) | Ceramic composite material | |
Dai et al. | Oxidation Behavior of SiC f/SiC Minicomposites with Multilayered (BN/SiC) n Interfacial Coatings under Humid Environment | |
RU2397969C1 (en) | Ceramic composite material |