RU2397969C1 - Ceramic composite material - Google Patents

Ceramic composite material Download PDF

Info

Publication number
RU2397969C1
RU2397969C1 RU2009116147/03A RU2009116147A RU2397969C1 RU 2397969 C1 RU2397969 C1 RU 2397969C1 RU 2009116147/03 A RU2009116147/03 A RU 2009116147/03A RU 2009116147 A RU2009116147 A RU 2009116147A RU 2397969 C1 RU2397969 C1 RU 2397969C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ceramic composite
composite material
silicon
matrix
heat resistance
Prior art date
Application number
RU2009116147/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Денис Вячеславович Гращенков (RU)
Денис Вячеславович Гращенков
Наталия Всеволодовна Исаева (RU)
Наталия Всеволодовна Исаева
Сергей Станиславович Солнцев (RU)
Сергей Станиславович Солнцев
Галина Владимировна Ермакова (RU)
Галина Владимировна Ермакова
Галина Анатольевна Соловьева (RU)
Галина Анатольевна Соловьева
Original Assignee
Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России), Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") filed Critical Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Priority to RU2009116147/03A priority Critical patent/RU2397969C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2397969C1 publication Critical patent/RU2397969C1/en

Links

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to ceramic composite materials and can be used in aviation engineering and mechanical engineering when making heat-loaded components of gas turbine installations and engines for gas-, oil-pumping, power and transportation systems etc, used in periodic heating conditions at 1400°C. The invention discloses a ceramic composite material which contains carbon fibre and a matrix which includes silicon, carbon, silicon tetraboride, silicon carbide and additionally contains silicon dioxide, boron carbide and boric anhydride, with the following ratio of components of the matrix in wt %: Si 20-30, C 25-35, SiB4 1.6-1.8, SiO2 4-5, B4C 1-3, B2O3 0.5-2, SiC - the rest.
EFFECT: higher thermal stability and heat resistance of the ceramic composite material at operating temperature of 1400°C and retention of said properties for a long period of time (over 100 hours), which increases reliability and service life of the article.
1 ex, 2 tbl

Description

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С.The invention relates to ceramic composite materials and can be used in aeronautical engineering and mechanical engineering in the manufacture of heat-loaded parts of gas turbine units and engines of gas, oil pumping, energy and transport systems, etc., operated under conditions of cyclic heating at a temperature of 1400 ° C.

Известен керамический 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.%:Known ceramic 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.%:

SiCSiC 10-5010-50 ВAT 0,5-1,20.5-1.2 С (пироуглерод)C (pyrocarbon) остальноеrest

(патент РФ №2203218).(RF patent No. 2203218).

Керамический композиционный материал может быть использован при изготовлении изделий, например уплотнительных колец, работающих в агрессивных средах, на воздухе при температуре 900°С.Ceramic composite material can be used in the manufacture of products, for example, sealing rings operating in aggressive environments, in air at a temperature of 900 ° C.

Известен также керамический композиционный материал следующего химического состава, мас.%:Also known is a ceramic composite material of the following chemical composition, wt.%:

Углеродное волокноCarbon fiber 50fifty СтекломатрицаGlass matrix 50fifty

при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:in the following ratio of glass matrix components, wt.%:

SiO2 SiO 2 8181 В2О3 B 2 O 3 1313 Al2O3 Al 2 O 3 22 Na2ONa 2 O 4four

(патент США №4511663).(US patent No. 4511663).

Известный керамический композиционный материал может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей, применяющихся в авиационной технике и машиностроении.Known ceramic composite material can be used for the manufacture of heat-loaded parts used in aircraft and mechanical engineering.

К недостаткам этих материалов следует отнести невысокую термостойкость (стойкость к циклическим нагревам) и жаростойкость при температуре 1400°С.The disadvantages of these materials include low heat resistance (resistance to cyclic heating) and heat resistance at a temperature of 1400 ° C.

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 for the 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.%:

SiSi 20-3520-35 CC 25-4025-40 SiB4 SiB 4 2-62-6 SiCSiC остальноеrest

(патент РФ №2297992).(RF patent No. 2297992).

Недостатками керамического композиционного материала-прототипа являются недостаточная термостойкость и жаростойкость (убыль массы) при длительной эксплуатации материала при температуре 1400°С.The disadvantages of the ceramic composite material of the prototype are insufficient heat resistance and heat resistance (loss of mass) during prolonged use of the material at a temperature of 1400 ° C.

Следует отметить, что в условиях окислительной среды изменение (на 50-100°С) рабочей температуры керамических композиционных материалов, матрица которых содержит борсодержащие компоненты, оказывает значительное влияние на процесс окисления и количество образуемой боросиликатной стеклосвязки, что приводит к изменению эксплуатационных характеристик материала в процессе длительной эксплуатации.It should be noted that in an oxidizing environment, a change (by 50-100 ° С) of the working temperature of ceramic composite materials, the matrix of which contains boron-containing components, has a significant effect on the oxidation process and the amount of borosilicate glass bond formed, which leads to a change in the operational characteristics of the material in the process long operation.

Технической задачей изобретения является увеличение термостойкости и жаростойкости керамического композиционного материала при рабочей температуре 1400° в течение длительного времени (свыше 100 ч).An object of the invention is to increase the heat resistance and heat resistance of the ceramic composite material at an operating temperature of 1400 ° for a long time (over 100 hours).

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен керамический композиционный материал, содержащий углеродные волокна и матрицу, включающую кремний, углерод, тетраборид кремния, карбид кремния, которая дополнительно содержит диоксид кремния, карбид бора и борный ангидрид, при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%: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, which additionally contains silicon dioxide, boron carbide and boric anhydride, in the following ratio of matrix components, wt.% :

SiSi 20-3020-30 СFROM 25-3525-35 SiB4 SiB 4 1,6-1,81.6-1.8 SiO2 SiO 2 4-54-5 В4СAt 4 s 1-31-3 В2О3 B 2 O 3 0,5-20.5-2 SiCSiC остальноеrest

Авторами установлено, что дополнительное введение в матрицу диоксида кремния, карбида бора, борного ангидрида при заявленных соотношении и содержании компонентов приводит к образованию при 1400°С в окислительной среде достаточного количества вязкой защитной боросиликатной стеклосвязки, обладающей способностью релаксировать термоупругие напряжения и препятствующей диффузии кислорода в объем материала, что повышает его термостойкость и жаростойкость.The authors found that the additional introduction into the matrix of silicon dioxide, boron carbide, boric anhydride at the stated ratio and content of components leads to the formation at 1400 ° C in an oxidizing medium of a sufficient amount of viscous protective borosilicate glass-bond, which has the ability to relax thermoelastic stresses and prevents the diffusion of oxygen into the volume material, which increases its heat resistance and heat resistance.

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 карбида бора (В4С) и углеродными волокнами в полиэтиленовых барабанах.Dispersed particles of a matrix of silicon carbide, silicon, carbon (SiC, Si, C) were mixed with particles of silicon tetraboride (SiB 4 ) and boron carbide (B 4 C) and carbon fibers in polyethylene drums.

В качестве углеродного волокнистого материала использовали углеродные волокна УКНП-5000.The carbon fiber UKNP-5000 was used as the carbon fiber material.

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.The resulting mixture was poured into the mold and pressed at a temperature of 120-150 ° C. Then, the billet was subjected to high temperature heat treatment in a vacuum oven at a temperature of 1400-1450 ° C.

После термообработки в вакууме образцы подвергали пропитке золем в системе SiO22О3 с промежуточной сушкой на воздухе в течение 24 ч.After heat treatment in vacuum, the samples were impregnated with sol in a SiO 2 –B 2 O 3 system with intermediate drying in air for 24 h.

Свойства предлагаемого керамического композиционного материала и материала-прототипа приведены в таблице 2.The properties of the proposed ceramic composite material and the material of the prototype are shown in table 2.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что термостойкость предлагаемого керамического композиционного материала в ~2,5 раза выше, чем у материала-прототипа. Привес массы материала при испытаниях на жаростойкость подтверждает образование защитной боросиликатной стеклосвязки. Жаростойкость предлагаемого керамического композиционного материала, в мас.%: 100 ч - 1,8÷2,1; 200 ч - 2,2÷2,7; 300 ч - 2,8÷2,9; 400 ч - 3,2÷3,5, в то же время у материала-прототипа наблюдается убыль массы и разрушение после 100 ч испытаний при 1400°С вследствие окисления углеродного наполнителя.Analysis of the obtained results indicates that the heat resistance of the proposed ceramic composite material is ~ 2.5 times higher than that of the prototype material. The weight gain of the material during heat resistance tests confirms the formation of a protective borosilicate glass bond. The heat resistance of the proposed ceramic composite material, in wt.%: 100 h - 1.8 ÷ 2.1; 200 h - 2.2 ÷ 2.7; 300 h - 2.8 ÷ 2.9; 400 h - 3.2 ÷ 3.5, at the same time, the prototype material exhibits mass loss and destruction after 100 h of testing at 1400 ° C due to oxidation of the carbon filler.

Таким образом, применение предлагаемого керамического композиционного материала с повышенной термостойкостью и жаростойкостью при изготовлении теплонагруженных деталей газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, энергетических и транспортных систем и др., эксплуатируемых длительное время в условиях циклических нагревов при температуре 1400°С, позволяет повысить надежность и ресурс изделий.Thus, the use of the proposed ceramic composite material with increased heat resistance and heat resistance in the manufacture of heat-loaded parts of gas turbine units and engines of gas, oil pumping, energy and transport systems, etc., operated for a long time under conditions of cyclic heating at a temperature of 1400 ° C, improves reliability and resource products.

Таблица 1Table 1 Наименование компонентовName of components Состав по примерам, мас.%The composition according to examples, wt.% 1one 22 33 4 прототип4 prototype Матрица:Matrix: SiSi 20twenty 2525 30thirty 30thirty CC 3535 30thirty 2525 30thirty SiB4 SiB 4 1,81.8 1,71.7 1,61,6 4four SiO2 SiO 2 55 4,54,5 4four -- B4CB 4 C 33 22 1one -- B2O3 B 2 O 3 22 1,51,5 0,50.5 -- SiCSiC ост.rest ост.rest ост.rest ост.rest

Таблица 2table 2 № п/пNo. p / p СвойстваProperties Предлагаемые составыSuggested formulations ПрототипPrototype 1one 22 33 4four 1.one. Термостойкость, цк, 1400°С↔20°С, охлаждение на воздухеHeat resistance, central heating station, 1400 ° С↔20 ° С, air cooling 100one hundred 105105 100one hundred 4040 2.2. Жаростойкость, мас.%, 1400°С Heat resistance, wt.%, 1400 ° С 100 ч100 h 1,81.8 2,12.1 1,91.9 -2,5 разрушение образца-2.5 sample destruction 200 ч200 h 2,22.2 2,62.6 2,72.7 разрушение образцаsample failure 300 ч300 h 2,92.9 2,82,8 2,92.9 -«-- "- 400 ч400 h 3,33.3 3,23.2 3,53,5 -«-- "-

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, карбид бора и борный ангидрид при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
Si 20-30 C 25-35 SiB4 1,6-1,8 SiO2 4-5 B4C 1-3 B2O3 0,5-2 SiC остальное
Ceramic composite material containing carbon fibers and a matrix including silicon, carbon, silicon tetraboride, silicon carbide, characterized in that the matrix additionally contains silicon dioxide, boron carbide and boric anhydride in the following ratio of matrix components, wt.%:
Si 20-30 C 25-35 SiB 4 1.6-1.8 SiO 2 4-5 B 4 C 1-3 B 2 O 3 0.5-2 SiC rest
RU2009116147/03A 2009-04-29 2009-04-29 Ceramic composite material RU2397969C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009116147/03A RU2397969C1 (en) 2009-04-29 2009-04-29 Ceramic composite material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009116147/03A RU2397969C1 (en) 2009-04-29 2009-04-29 Ceramic composite material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2397969C1 true RU2397969C1 (en) 2010-08-27

Family

ID=42798731

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009116147/03A RU2397969C1 (en) 2009-04-29 2009-04-29 Ceramic composite material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2397969C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018093506A1 (en) * 2016-11-18 2018-05-24 General Electric Company Composite material and method for making

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018093506A1 (en) * 2016-11-18 2018-05-24 General Electric Company Composite material and method for making

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102910926B (en) Preparation method of high-temperature-resistant silicon carbide aerogel heat-insulation composite material
Wang et al. Gradient structure high emissivity MoSi2-SiO2-SiOC coating for thermal protective application
CN103922778A (en) Three-dimensional alumina fiber fabric reinforced oxide ceramic and preparation method thereof
CN1718560A (en) Carbon-fiber reinforced silicon carbide composite material antioxidation coating layer and its preparation method
Li et al. Improvement of sealing performance for Al2O3 fiber-reinforced compressive seals for intermediate temperature solid oxide fuel cell
Ma et al. Processing and characterization of three-dimensional carbon fiber-reinforced Si–O–C composites via precursor pyrolysis
CN112279685A (en) MTaO with environmental thermal barrier coating4Graphite-based composite material and preparation method thereof
RU2397969C1 (en) Ceramic composite material
CN100347133C (en) Composite reinforced quartz-base composite material with carbon fibre and silicon carbide granule and production thereof
CN111320837B (en) High-residual-strength phenolic aldehyde flame-retardant system glass fiber reinforced plastic material and preparation method thereof
RU2392250C1 (en) Ceramic composite material
KR100905217B1 (en) A sealing materials contained alumina particle for solid oxide fuel cell
Shan et al. Oxidation behavior in wet oxygen environment of Al2O3 added reaction-sintered Si-BC ceramics
RU2388727C1 (en) Ceramic composite material
CN109836163A (en) A kind of raising SiCf/ Si-B-C self-healing ceramic matric composite water resistant to high temperatures/oxygen attack performance method
Shan et al. MDOxidation behavior in wet oxygen environment of Al2O3 modified SiCf/(SiC+ B4C) at 1200° C
RU2560046C1 (en) Ceramic oxidating-resistant composite material and product made from it
RU2359927C1 (en) Ceramic composite material
CN115636692A (en) High-temperature-resistant and anti-oxidation ceramic coating and preparation method and application thereof
RU2290371C1 (en) Protective coating
KR102211643B1 (en) Foamed glass having high strength and method of manufacturing the same
He et al. Preparation and mechanical performance of ductile Csf/Al2O3–BN composites—Part 2: Effects of fiber contents and ablation properties
RU2352543C1 (en) Composite material and product made of it
CN114804830B (en) Geopolymer-based composite material, preparation method thereof and application thereof in aircraft heat-proof structure
RU2310628C1 (en) Composite material and device made from this material