RU2603330C2 - Method of producing multifunctional ceramic matrix composite materials (versions) - Google Patents

Method of producing multifunctional ceramic matrix composite materials (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2603330C2
RU2603330C2 RU2015108788/03A RU2015108788A RU2603330C2 RU 2603330 C2 RU2603330 C2 RU 2603330C2 RU 2015108788/03 A RU2015108788/03 A RU 2015108788/03A RU 2015108788 A RU2015108788 A RU 2015108788A RU 2603330 C2 RU2603330 C2 RU 2603330C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ceramic
density
matrix
ceramic matrix
composite materials
Prior art date
Application number
RU2015108788/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015108788A (en
Inventor
Иван Анатольевич Тимофеев
Евгений Акимович Богачев
Ольга Георгиевна Рыжова
Сергей Викторович Соколов
Павел Анатольевич Тимофеев
Светлана Викторовна Жукова
Екатерина Сергеевна Сафонова
Original Assignee
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области "Технологический университет"
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 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области "Технологический университет" filed Critical Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области "Технологический университет"
Priority to RU2015108788/03A priority Critical patent/RU2603330C2/en
Publication of RU2015108788A publication Critical patent/RU2015108788A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2603330C2 publication Critical patent/RU2603330C2/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/587Fine ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/589Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained from Si-containing polymer precursors or organosilicon monomers
    • C04B35/806
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3852Nitrides, e.g. oxynitrides, carbonitrides, oxycarbonitrides, lithium nitride, magnesium nitride
    • C04B2235/3873Silicon nitrides, e.g. silicon carbonitride, silicon oxynitride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208Fibers
    • C04B2235/5216Inorganic
    • C04B2235/524Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5248Carbon, e.g. graphite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658Atmosphere during thermal treatment
    • C04B2235/6586Processes characterised by the flow of gas

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Silicon Polymers (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to production of multifunctional composite materials with ceramic matrix of silicon carbonitride, formed on a base of porous reinforcing frame, made from carbon fabric or fibre in form of threads, bundles or layered filaments with a continuous or discrete structure. Such materials are used in power heat-loaded parts of aircraft, combustion chambers and other items for aerospace and aviation equipment. Disclosed method of producing multifunctional ceramic matrix composite materials in volume of porous reinforcing frame, made from carbon fabric or fibre in form of threads, bundles and layered filaments with a continuous or discrete structure, comprises forming a ceramic matrix of silicon carbonitride by chemical vapour deposition (CVD) of silane with nitrogen-bearing precursor to preset density and process of multiple cyclic impregnation of frame with preceramic polymer (silazane) with subsequent polymerisation and pyrolysis (SPP). Chemical deposition is carried out in gas-vacuum furnace at temperature 500…900 °C and pressure of 50…500 Pa, and repeated (from 2 to 4 times) cyclic impregnation of frame with preceramic polymer and subsequent polymerisation and pyrolysis is performed in vacuum compression furnaces at temperature of up to 1,600°C and pressure of up to 20 MPa. Another version of method comprises first a step of SPP, and then CVD.
EFFECT: technical result of patented versions of method is production of ceramic matrix composite materials with density in range of 1,8- 2,1 g/cm3, resistance to mechanical and thermal cyclic loads and level of oxidation resistance at 400-1,400 °C.
10 cl, 2 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к способам получения композиционных материалов, а именно многофункциональных композиционных материалов с керамической матрицей из карбонитрида кремния, сформированной на основе пористого армирующего каркаса, выполненного изуглеродных тканей или волокон в виде нитей, пучков или слоистых филаментов непрерывной или дискретной структуры, а также к процессам, различное сочетание и последовательность реализации которых при соответствующих режимах технологических воздействий обеспечивает повышение экологической безопасности и технико-экономической эффективности реализации способа.The invention relates to methods for producing composite materials, namely multifunctional composite materials with a ceramic matrix of silicon carbonitride, formed on the basis of a porous reinforcing frame made of carbon fabrics or fibers in the form of threads, bundles or layered filaments of continuous or discrete structure, as well as to processes a different combination and sequence of implementation of which under appropriate modes of technological influences provides an increase in environmental safety and technical and economic efficiency of the implementation of the method.

Предлагаемые композиционные материалы предназначены для применения в силовых теплонагруженных деталях летательных аппаратов, камерах сгорания изделий и оборудования ракетной, авиационной техники, внешних поверхностях многоразовых космических аппаратов, а также для изготовления деталей и сборочных единиц оборудования энергетической, электронной, нефтяной и других отраслей промышленности, работающих при повышенных температурах в химически активных средах.The proposed composite materials are intended for use in power heat-loaded parts of aircraft, combustion chambers of products and equipment of rocket and aviation equipment, the outer surfaces of reusable spacecraft, as well as for the manufacture of parts and assembly units of equipment of the energy, electronic, oil and other industries working in elevated temperatures in chemically active environments.

В настоящее время известны различные способы получения керамоматричных композиционных материалов (ККМ). Наибольшее распространение в России и за рубежом получили жидкофазные технологии силицирования из расплава кремния углерод - углеродных композиционных материалов и технологии химического осаждения газовой фазы (ХОГФ), где основным реагентом для получения карбидокремниевой матрицы является метилтрихлорсилан (CH3SiCl3). [Lacombe A., Bonnet С. Ceramic Matrix Composites, key materials for future space plane technologies // 2-nd Inter. AerospacePlanesConf. (Orlando, Oct. 29-31). 1990. - P. 1-14].Currently, various methods for producing ceramic composite materials (CMC) are known. The most widespread in Russia and abroad are liquid-phase silicon-carbon-carbon composite melt siliconization technologies and chemical vapor deposition (CVD) technologies, where methyltrichlorosilane (CH 3 SiCl 3 ) is the main reagent to obtain a silicon carbide matrix. [Lacombe A., Bonnet C. Ceramic Matrix Composites, key materials for future space plane technologies // 2-nd Inter. AerospacePlanesConf. (Orlando, Oct. 29-31). 1990. - P. 1-14].

К недостаткам способа получения карбидокремниевой матрицы из метилтрихлорсилана (МТС) следует отнести применение в процессе ХОГФ летучих взрывоопасных, коррозионноактивных, ядовитых исходных компонентов (МТС и метана) и, как следствие, образование побочных экологически опасных хлорсодержащих продуктов (HCl, SiHCl3, SiCl4 и др.). Это вызывает необходимость соблюдения специальных мер безопасности при утилизации не прореагировавшего исходного реагента и отходов технологического процесса, применения в оборудовании специальных высокотемпературных коррозионностойких материалов и мер по их защите, повышенной квалификации и дополнительной защиты персонала, что требует существенных материальных и энергетических затрат на их реализацию.The disadvantages of the method of producing a silicon carbide matrix from methyltrichlorosilane (MTS) include the use of volatile explosive, corrosive, poisonous starting components (MTS and methane) in the CVD process and, as a result, the formation of environmentally hazardous chlorine-containing products (HCl, SiHCl 3 , SiCl 4 and other). This necessitates the observance of special safety measures when disposing of unreacted initial reagent and process wastes, the use of special high-temperature corrosion-resistant materials in equipment and measures for their protection, advanced training and additional personnel protection, which requires significant material and energy costs for their implementation.

Кроме этого, процесс разложения МТС или смеси МТС и метана протекает с образованием примесей из углерода и кремния, что ухудшает прочностные и окислительные свойства ККМ. Процессы получения композиционных материалов с карбидокремниевой матрицей из газовой фазы других хлорсиланов или хлорида кремния SiCl4 характеризуется теми же недостатками, что и процесс осаждения из МТС.In addition, the decomposition of MTS or a mixture of MTS and methane proceeds with the formation of impurities from carbon and silicon, which impairs the strength and oxidation properties of CMCs. The processes for producing composite materials with a silicon carbide matrix from the gas phase of other chlorosilanes or silicon chloride SiCl 4 are characterized by the same disadvantages as the deposition process from MTS.

Известен разработанный в России, экологически безопасный способ осаждения карбида кремния в пористые тела из газовой фазы, содержащей монометилсилан (CH3SiH3). Способ обеспечивает получение композиционных материалов однородных по составу и физико-механическим характеристикам, позволяет снизить температуру и упростить аппаратурное оформление процесса ХОГФ. [Тимофеев А.Н., Богачев Е.А., Габов А.В., Абызов A.M., Смирнов Е.П., Персии М.И. Способ получения композиционного материала. Патент РФ №2130509, приоритет от 26.01.1998 г.].Known developed in Russia, an environmentally friendly method of deposition of silicon carbide in porous bodies from the gas phase containing monomethylsilane (CH 3 SiH 3 ). The method provides for the production of composite materials homogeneous in composition and physico-mechanical characteristics, allows to reduce the temperature and simplify the hardware design of the HOGF process. [Timofeev AN, Bogachev EA, Gabov AV, Abyzov AM, Smirnov EP, Persia M.I. A method of obtaining a composite material. RF patent No. 2130509, priority of 01/26/1998].

Повышенную стойкость к термоциклическим нагрузкам среди керамоматричных композиционных материалов имеют материалы с матрицей из карбонитрида кремния. Это обусловлено сочетанием двух факторов: во-первых, карбонитрид кремния по критерию Кинджери (в зарубежной литературе «FOM-FigureofMerit») имеет значительно (от 3 до 10 раз) более высокую стойкость к термоудару, что позволяет ему в меньшей степени накапливать дефекты при каждом цикле «нагрев-охлаждение»; во-вторых, карбонитрид кремния, химически осажденный из газовой фазы, не претерпевает фазовых превращений до температур не менее 1400°C, что так же позволяет карбонитридокремниевой матрице не приобретать новых микродефектов в процессе эксплуатации. [Riedel R. Handbook of ceramic hard materials. Hoboken (NJ): WILEY-VCH, 2000. Vol. 2. 476 p., Lee J.Y.. Fabrication of SiCN thin film on substrate and measurement of sheetresistive // University of Colorado at Boulder. URL: www.colorado.edu/engineering/MCEN/MCEN5208/lit_lee.pdf (дата обращения: 01.12.2008)].Increased resistance to thermocyclic loads among ceramic composite materials are materials with a matrix of silicon carbonitride. This is due to a combination of two factors: firstly, silicon carbonitride according to the Kineri criterion (in the foreign literature “FOM-FigureofMerit”) has a significantly (3 to 10 times) higher resistance to thermal shock, which allows it to accumulate defects to a lesser extent with each heating-cooling cycle; secondly, silicon carbonitride chemically precipitated from the gas phase does not undergo phase transformations up to temperatures of at least 1400 ° C, which also allows the silicon carbide-silicon matrix not to acquire new microdefects during operation. [Riedel R. Handbook of ceramic hard materials. Hoboken (NJ): WILEY-VCH, 2000. Vol. 2. 476 p., Lee J.Y. Fabrication of SiCN thin film on substrate and measurement of sheetresistive // University of Colorado at Boulder. URL: www.colorado.edu/engineering/MCEN/MCEN5208/lit_lee.pdf (accessed: 01.12.2008)].

Общим недостатком реализации процесса ХОГФ является продолжительное время формирования керамических матриц, составляющее, как правило, от 600 до 1200 часов при низком коэффициенте использования предкерамических газообразных соединений (не более 10%).A common drawback of the implementation of the CVD process is the long formation time of ceramic matrices, which is usually from 600 to 1200 hours with a low utilization rate of preceramic gaseous compounds (not more than 10%).

Для сокращения технологического времени применяют нестационарное тепловое поле, локализуя зону химической реакции, или увеличивают подачу реагентов. Такие подходы снижают экономическую эффективность технологического процесса и усложняют конструктивное исполнение технологического оборудования.To reduce technological time, an unsteady thermal field is used to localize the chemical reaction zone, or the supply of reagents is increased. Such approaches reduce the economic efficiency of the technological process and complicate the design of technological equipment.

Известен импульсный метод подачи газовой смеси в химический реактор. Метод отличает существенно более высокий выход керамической фазы из исходного прекурсора, но при этом значительно, более чем в два раза, увеличивается длительность технологического процесса химического осаждения. [Naslain RR; Pailler R; Bourrat X. et al. Synthesis of highly tailored ceramic matrix composites by pressure-pulsed CVI. // Solid State Ionics, 2001. - Vol. 141. - P. 541-548].Known pulse method of supplying a gas mixture to a chemical reactor. The method is characterized by a significantly higher yield of the ceramic phase from the initial precursor, but at the same time, the duration of the chemical deposition process is significantly more than doubled. [Naslain RR; Pailler R; Bourrat X. et al. Synthesis of highly tailored ceramic matrix composites by pressure-pulsed CVI. // Solid State Ionics, 2001. - Vol. 141. - P. 541-548].

Последние два десятилетия активно развиваются жидкофазные методы формирования керамических матриц из предкерамических полимеров, которые отличаются более высокой экономичностью и скоростью формирования матричного материала по сравнению с процессами ХОГФ.Over the past two decades, liquid-phase methods for the formation of ceramic matrices from pre-ceramic polymers have been actively developed, which are characterized by higher efficiency and the rate of formation of the matrix material in comparison with the processes of CVD.

В патенте ЕР №1063210 В1 (опубликован 15.10.2003 г.) предложен способ производства ККМ, включающий в себя процесс формирования тканей из неорганических волокон, обработку поверхности волокон, обеспечивающий формирование слоя покрытия на поверхности указанных тканей, а также получение матрицы, сформированной на их основе. Указанный процесс формирования матрицы состоит из этапа полимерной сшивки для образования сополимера, состоящего из поликарбосилана (ПКС) и полиметилсилана (ПМС). Они сшиваются вместе путем выдержки смеси органических полимеров в течение заданного времени при температуре от 573 К до 723 К, которая ниже чем температура пиролиза обоих полимеров. Далее реализуют процесс пропитки полимером для введения смеси сополимера внутрь материала, затем следует стадия пиролиза в инертной атмосфере для завершения предшествующих процессов.EP patent No. 1063210 B1 (published October 15, 2003) proposes a method for producing CMC, including the process of forming fabrics from inorganic fibers, processing the surface of the fibers, providing a coating layer on the surface of these fabrics, as well as obtaining a matrix formed on them basis. The indicated matrix formation process consists of a polymer crosslinking step to form a copolymer consisting of polycarbosilane (PCS) and polymethylsilane (PMS). They are stitched together by holding the mixture of organic polymers for a predetermined time at a temperature of 573 K to 723 K, which is lower than the pyrolysis temperature of both polymers. Next, a polymer impregnation process is implemented to introduce the copolymer mixture into the material, followed by a pyrolysis step in an inert atmosphere to complete the previous processes.

К основным недостаткам предложенных способов следует отнести то, что получаемые керамоматричные композиционные материалы имеют матрицу из карбида кремния, характеризуются более низкими физико-механическими характеристиками и окислительной стойкостью по сравнению с материалами, матрица которых получена в процессе ХОГФ. [Colombo, P., Mera, G., Riedel, R. and

Figure 00000001
, G. D. (2013) Polymer-Derived Ceramics: 40 Years of Research and Innovation in Advanced Ceramics, in Ceramics Science and Technology Volume 4: Applications (eds R. Riedel and I.-W. Chen), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany].The main disadvantages of the proposed methods include the fact that the resulting ceramic matrix composite materials have a matrix of silicon carbide, are characterized by lower physicomechanical characteristics and oxidative stability compared to materials whose matrix was obtained in the course of CVD. [Colombo, P., Mera, G., Riedel, R. and
Figure 00000001
, GD (2013) Polymer-Derived Ceramics: 40 Years of Research and Innovation in Advanced Ceramics, in Ceramics Science and Technology Volume 4: Applications (eds R. Riedel and I.-W. Chen), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co . KGaA, Weinheim, Germany].

В патенте США №7012035 (опубликован 14.03.2006 г.) раскрыт способ получения материала из волокнистого керамического композита, выполненного из: а) плотной ткани или пучка трехмерных ориентированных волокон с высокой термической проводимостью, б) кристаллической матрицы β-карбида кремния, который получен в процессе химического осаждения из газовой фазы на волокна; в) матричный компонент β-карбида кремния в процессе пропитки и пиролиза накапливается в порах тканевой структуры; г) будущий компонент β-карбида кремния получают в процессе химического осаждения в порах и трещинах материала, полученного в предшествующем процессе пиролиза.US patent No. 7012035 (published March 14, 2006) discloses a method for producing material from a fibrous ceramic composite made of: a) a dense fabric or a bundle of three-dimensional oriented fibers with high thermal conductivity, b) a crystal matrix of β-silicon carbide, which is obtained in the process of chemical vapor deposition onto fibers; c) the matrix component of β-silicon carbide in the process of impregnation and pyrolysis accumulates in the pores of the tissue structure; g) the future component of β-silicon carbide is obtained in the process of chemical deposition in the pores and cracks of the material obtained in the previous pyrolysis process.

Основными отличиями и недостатками указанного способа являются применение высокотеплопроводных волокон, которые отличаются пониженными физико-механическими свойствами и тем, что матрица композиционного материала состоит только из карбида кремния. В результате получают материал, имеющий низкую прочность при растяжении, низкую стойкость к ударным механическим и тепловым нагрузкам, что ограничивает его использование в деталях газотурбинных, ракетных двигателей, на внешних поверхностях многоразовых космических аппаратов, деталях химической аппаратуры.The main differences and disadvantages of this method are the use of highly heat-conducting fibers, which are characterized by reduced physical and mechanical properties and the fact that the matrix of the composite material consists only of silicon carbide. The result is a material having low tensile strength, low resistance to mechanical and thermal shock, which limits its use in parts of gas turbine, rocket engines, on the outer surfaces of reusable spacecraft, and parts of chemical equipment.

Наиболее близким аналогом первого варианта заявленного способа является способ получения керамоматричных композиционных материалов (US 5459114, кл. С04В 35/58, опубл. 17.10.1995 г.), в котором в объеме пористого армирующего каркаса, выполненного из углеродной ткани, формируют керамическую матрицу из карбонитрида кремния путем химического осаждения из газовой фазы с последующей многократной (2 раза и более) пропиткой полимером (полисилазаном) с полимеризацией и пиролизом (ППП).The closest analogue of the first variant of the claimed method is a method for producing ceramic composite materials (US 5459114, class С04В 35/58, publ. 10/17/1995), in which a ceramic matrix is formed from a porous reinforcing frame made of carbon fabric silicon carbonitride by chemical vapor deposition followed by repeated (2 times or more) impregnation with a polymer (polysilazane) with polymerization and pyrolysis (SPP).

Однако предложенный способ имеет следующие существенные недостатки. При реализации указанного способа используются известные сочетания и последовательности проведения технологических воздействий. В описании способа и в примерах его реализации не содержится сведений о параметрах: начальной плотности каркаса, объемного содержания армирующего наполнителя в зависимости от стадии насыщения и т.п., и режимах проведения процессов. В связи с этим весьма затруднительно прогнозировать технико-эксплуатационные характеристики получаемых композиционных материалов и, соответственно, функциональное назначение изделий и область их применения.However, the proposed method has the following significant disadvantages. When implementing this method, known combinations and sequences of technological effects are used. The description of the method and examples of its implementation do not contain information about the parameters: the initial density of the frame, the volume content of the reinforcing filler depending on the stage of saturation, etc., and the modes of the processes. In this regard, it is very difficult to predict the technical and operational characteristics of the obtained composite materials and, accordingly, the functional purpose of the products and their scope.

Наиболее близким аналогом второго варианта заявленного способа является способ получения высоконаполненного керамоматричного композиционного материала по патентному документу США №2011/0071014 А1 (опубликован 24.03.2011 г.), включающий в себя: образование заготовки матрицы из неоксидной керамики и непрерывных керамических волокон с внешним покрытием; частичное насыщение заготовки полимером в процессе пропитки с последующей полимеризацией и пиролизом (ППП); донасыщение заготовки химическим осаждением из газовой фазы (ХОГФ) до плотности не менее 95% от теоретической. При этом безоксидная керамика выбирается из группы, состоящей из карбидкремниевой, нитридкремниевой, карбонитридкремниевой керамики или их смеси. Заготовка композита пропитывается смолой с последующим ее разложением до тех пор, пока не образуется композит необходимой плотности, преформа насыщается из газовой фазы для повышения плотности и снижения пористости керамоматричного композиционного материала с конечной плотностью не менее 90% от теоретической.The closest analogue to the second variant of the claimed method is a method for producing a highly filled ceramic matrix material according to US patent document No. 2011/0071014 A1 (published March 24, 2011), which includes: forming a matrix blank of non-oxide ceramic and continuous ceramic fibers with an external coating; partial saturation of the preform with polymer during the impregnation process followed by polymerization and pyrolysis (SPP); saturation of the workpiece by chemical vapor deposition (CVD) to a density of at least 95% of theoretical. In this case, oxide-free ceramic is selected from the group consisting of silicon carbide, silicon nitride, silicon carbonitride ceramics, or a mixture thereof. The composite billet is impregnated with resin, followed by its decomposition until a composite of the required density is formed, the preform is saturated from the gas phase to increase the density and reduce the porosity of the ceramic composite material with a final density of at least 90% of theoretical.

Однако в предложенном способе имеются следующие существенные недостатки, среди которых низкая экологическая безопасность процессов получения матричного материала в связи с использованием в процессе химического осаждения из газовой фазы в качестве предкерамического прекурсора хлорсодержащего газа - метилтрихлорсилана (CH3SiCl3). В результате разложения данного газа происходит реакция с образованием соляной кислоты (HCl), которая имеет третью степень опасности. Кроме того, предложенный способ предполагает использование армирующего каркаса из карбидокремниевых волокон, отличающихся пониженными по сравнению с углеродным волокном физико-механическими характеристиками, предлагается только одна комбинация процессов ХОГФ и ППП создания окислительностойкой матрицы, что ограничивает возможности управления функциональными свойствами и стоимостью конечного композиционного материала.However, the proposed method has the following significant drawbacks, among which the low environmental safety of the processes for producing matrix material due to the use of methyltrichlorosilane (CH 3 SiCl 3 ) as a pre-ceramic chlorine-containing gas precursor in the chemical vapor deposition process. As a result of the decomposition of this gas, a reaction occurs with the formation of hydrochloric acid (HCl), which has a third degree of danger. In addition, the proposed method involves the use of a reinforcing cage made of silicon carbide fibers, which have lower physical and mechanical characteristics than carbon fiber, and only one combination of CVDF and PPP processes for creating an oxidation-resistant matrix is proposed, which limits the ability to control the functional properties and cost of the final composite material.

Наиболее близким аналогом третьего варианта заявленного способа является способ, раскрытый в патенте ЕР 1702908 (кл. С04В 35/80, опубл. 26.03.2014 г.). Известный способ предназначен для получения композиционных материалов на основе волокон, в том числе углеродных, и матрицы, в состав которой могут входить карбид кремния или нитрид кремния, а также различные сочетания матричных фаз. Способ предусматривает создание структуры из основных и вспомогательных волокон, химическое осаждение матричного материала из газовой фазы, несколько циклов полимерной пропитки-полимеризации-пиролиза. После этого может быть осуществлена дополнительная операция ХОГФ для уплотнения матрицы. При этом указывается, что прочность композиционного материала при высоких температурах увеличивается по мере увеличения соотношения углеродного волокна. Так, в предложенном варианте реализации способа в целях снижения потери прочности керамического композиционного материала при высоких температурах и предотвращения от разрушения матричной фазы объемная доля углеродного волокна в композиционном материале должна составлять приблизительно 70%.The closest analogue to the third variant of the claimed method is the method disclosed in patent EP 1702908 (CL 04B 35/80, publ. 03/26/2014). The known method is intended to produce composite materials based on fibers, including carbon, and a matrix, which may include silicon carbide or silicon nitride, as well as various combinations of matrix phases. The method involves creating a structure of the main and auxiliary fibers, chemical deposition of the matrix material from the gas phase, several cycles of polymer impregnation-polymerization-pyrolysis. After this, an additional HOGF operation can be performed to compact the matrix. It is indicated that the strength of the composite material at high temperatures increases with increasing carbon fiber ratio. So, in the proposed embodiment of the method, in order to reduce the loss of strength of the ceramic composite material at high temperatures and to prevent from destruction of the matrix phase, the volume fraction of carbon fiber in the composite material should be approximately 70%.

К основным отличиям и недостаткам предлагаемого способа следует отнести то, что получаемые керамоматричные композиционные материалы (ККМ) имеют матрицу из карбида кремния, характеризуются более низкими физико-механическими характеристиками и окислительной стойкостью по сравнению с материалами, матрица которых получена в процессе ХОГФ. Кроме этого, к существенным недостаткам способа получения карбидокремниевой матрицы следует отнести применение в процессе ХОГФ летучих взрывоопасных, коррозионноактивных, ядовитых исходных компонентов (МТС и метана) и, как следствие, образование побочных экологически опасных хлорсодержащих продуктов (HCl, SiHCl3, SiCl4 и др.).The main differences and disadvantages of the proposed method include the fact that the obtained ceramic matrix composite materials (CMC) have a matrix of silicon carbide, are characterized by lower physicomechanical characteristics and oxidative stability compared to materials whose matrix was obtained in the process of CVD. In addition, the significant disadvantages of the method for producing a silicon carbide matrix include the use of volatile explosive, corrosive, poisonous starting components (MTS and methane) in the CVD process and, as a result, the formation of environmentally hazardous chlorine-containing products (HCl, SiHCl 3 , SiCl 4 , etc. .).

Кроме этого, процесс разложения МТС или смеси МТС и метана протекает с образованием примесей из углерода и кремния, что ухудшает прочностные и окислительные свойства ККМ. Процессы получения композиционных материалов с карбидокремниевой матрицей из газовой фазы других хлорсиланов или хлорида кремния SiCl4 характеризуются теми же недостатками, что и процесс осаждения из МТС.In addition, the decomposition of MTS or a mixture of MTS and methane proceeds with the formation of impurities from carbon and silicon, which impairs the strength and oxidation properties of CMCs. The processes for producing composite materials with a silicon carbide matrix from the gas phase of other chlorosilanes or silicon chloride SiCl 4 are characterized by the same disadvantages as the deposition process from MTS.

Техническим результатом патентуемых вариантов реализации способа является получение керамоматричных композиционных материалов различного функционального назначения, обладающих в зависимости от области применения и условий эксплуатации требуемыми значениями плотности в пределах 1,8…2,1 г/см3.The technical result of patented variants of the method is to obtain ceramic composite materials for various functional purposes, possessing, depending on the application and operating conditions, the required density values in the range of 1.8 ... 2.1 g / cm 3 .

Карбонитрид кремния получают из силазанов или силанов в соответствии с таблицей.Silicon carbonitride is obtained from silazanes or silanes in accordance with the table.

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Заявленный технический результат достигается в результате реализации способа получения многофункциональных керамоматричных композиционных материалов, характеризующегося тем, что в объеме пористого армирующего каркаса, выполненного из углеродных тканей или волокон в виде нитей, пучков и слоистых филаментов непрерывной или дискретной структуры, формируют керамическую матрицу из карбонитрида кремния различными методами, обусловленными вариативностью сочетаний и последовательностей реализации процесса химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) и процесса многократной цикловой пропитки каркаса предкерамическим полимером с последующей полимеризацией и пиролизом (ППП), При этом сочетания и последовательности реализации процессов характеризуются своим количественным вкладом и режимами технологических воздействий каждого из них в формирование керамической матрицы материалов различного функционального назначения с учетом установленных требований к уровню их физико-механических, физико-химических свойств и эксплуатационных характеристик. При этом химическое осаждение проводят в газо-вакуумных печах при температуре 500…900°C и давлении 50…500 Па, а многократную цикловую пропитку каркаса предкерамическим полимером и последующую полимеризацию и пиролиз реализуют в вакуум-компрессионых печах при температуре до 1600°C и давлении до 20 МПа.
Figure 00000003
The claimed technical result is achieved as a result of the method for producing multifunctional ceramic-matrix composite materials, characterized in that in the volume of a porous reinforcing frame made of carbon fabrics or fibers in the form of threads, bundles and layered filaments of continuous or discrete structure, a ceramic matrix of silicon carbonitride is formed by various methods due to the variability of combinations and sequences of the chemical gas deposition process the new phase (HOGF) and the process of repeated cyclic impregnation of the frame with a pre-ceramic polymer followed by polymerization and pyrolysis (PPP). Moreover, combinations and sequences of processes are characterized by their quantitative contribution and the modes of technological influences of each of them in the formation of the ceramic matrix of materials of various functional purposes, taking into account established requirements for the level of their physicomechanical, physicochemical properties and operational characteristics. In this case, chemical deposition is carried out in gas-vacuum furnaces at a temperature of 500 ... 900 ° C and a pressure of 50 ... 500 Pa, and multiple cyclic impregnation of the frame with a pre-ceramic polymer and subsequent polymerization and pyrolysis are carried out in vacuum compression furnaces at temperatures up to 1600 ° C and pressure up to 20 MPa.

Указанные выше диапазоны являются по сути границами эффективного протекания процессов диффузии предкерамической газовой фазы в пористое тело и типичны для большинства процессов ХОГФ. Эффективное уплотнение пористого тела из газовой фазы силазанов и силанов протекает в диапазоне температур 500-900°C в зависимости от химического состава и ряда технологических факторов. При температурах ниже 500°C скорость роста конденсированной фазы имеет крайне низкие значения, так как не происходит полного разложения предкерамической молекулы. Это приводит к увеличению времени осаждения и получению керамической матрицы с повышенным содержанием примесей. При высоких температурах (выше 1100-1200°C) скорость химической реакции разложения основного компонента газовой фазы, участвующего в образовании конденсированной керамической фазы, становится чрезвычайно большой и делает невозможным проникновение молекул в пористый каркас. Как правило, низкие значения давления (ниже 10 Па) процесса ХОГФ приводят к существенному увеличению времени процессов уплотнения, так как скорость уплотнения напрямую зависит от концентрации основных компонентов газовой фазы. Кроме того, при относительно низких давлениях процессов ХОГФ возрастают требования к герметичности и внутреннему газовыделению оборудования. Высокие значения давления (примерно выше 1000 Па) не используются в процессах уплотнения пористых тел по двум основным причинам. Первая - невозможность организации при высоких давлениях требуемых скоростей подвода исходной газовой фазы и отвода газообразных продуктов ее разложения из пористого каркаса, что влияет на равномерность уплотнения пористого каркаса и состав конденсированной фазы. Вторая - повышение вероятности перехода процесса из гетерогенной обрасти процесса ХОГФ, в которой возможен рост конденсированной фазы на твердых поверхностях пористого тела, к гомогенной области процесса ХОГФ, при которой твердый продукт образуется в виде порошка во всем объеме печи, и уплотнение пористого каркаса не происходит.The above ranges are essentially the boundaries of the effective occurrence of the processes of diffusion of the pre-ceramic gas phase into the porous body and are typical for most CVD processes. An effective compaction of a porous body from the gas phase of silazanes and silanes occurs in the temperature range 500–900 ° C, depending on the chemical composition and a number of technological factors. At temperatures below 500 ° C, the rate of growth of the condensed phase is extremely low, since there is no complete decomposition of the preceramic molecule. This leads to an increase in the deposition time and to obtain a ceramic matrix with a high content of impurities. At high temperatures (above 1100-1200 ° C), the rate of the chemical reaction of the decomposition of the main component of the gas phase involved in the formation of the condensed ceramic phase becomes extremely high and makes it impossible for the molecules to penetrate into the porous frame. As a rule, low pressure values (below 10 Pa) of the CVD process lead to a significant increase in the time of compaction processes, since the compaction rate directly depends on the concentration of the main components of the gas phase. In addition, at relatively low pressures of the HOGF processes, the requirements for tightness and internal gas emission of equipment increase. High pressure values (approximately above 1000 Pa) are not used in the compaction of porous bodies for two main reasons. The first is the impossibility of organizing at high pressures the required rates of supply of the initial gas phase and removal of gaseous products of its decomposition from the porous frame, which affects the uniformity of compaction of the porous frame and the composition of the condensed phase. The second is to increase the likelihood of the process transitioning from the heterogeneous growth of the CVD process, in which the condensed phase can grow on the solid surfaces of the porous body, to the homogeneous region of the CVD process, in which the solid product is formed as a powder in the entire volume of the furnace, and the porous framework does not compact.

1. Первый вариант реализации способа (ХОГФ + 2-3 цикла ППП) заключается в том, что в объеме пористого армирующего каркаса, выполненного из углеродных тканей или волокон в виде нитей, пучков или слоистых филаментов непрерывной или дискретной структуры (2D, 2D+1, 3D), формируют керамическую матрицу из карбонитрида кремния путем заполнения межфиламентных и межпучковых пор в процессе ХОГФ до плотности 1,45…1,85 г/см3, в зависимости начальной плотности каркаса, объемного содержания армирующего наполнителя и стадии насыщения. Далее для максимально равномерного заполнения пористого объема керамической фазой остаточная пористость заполняется в процессе реализации двух-трех циклов ППП. В результате получают материал плотностью не менее 2,1 г/см3, что составляет не менее 95% от теоретической.1. The first embodiment of the method (HOGF + 2-3 PPP cycles) is that in the volume of the porous reinforcing frame made of carbon fabrics or fibers in the form of threads, bundles or layered filaments of continuous or discrete structure (2D, 2D + 1 , 3D), they form a ceramic matrix of silicon carbonitride by filling interfilament and inter-beam pores during the CVD process to a density of 1.45 ... 1.85 g / cm 3 , depending on the initial density of the frame, the volume content of the reinforcing filler and the saturation stage. Further, for the most uniform filling of the porous volume with the ceramic phase, the residual porosity is filled during the implementation of two or three SPP cycles. The result is a material with a density of at least 2.1 g / cm 3 , which is at least 95% of theoretical.

Данный вариант обеспечивает получение керамоматричных материалов с высокими физико-механическими, физико-химическими, теплофизическими свойствами и эксплуатационными характеристиками, что обеспечивает возможность их применения при изготовлении особо ответственных деталей и узлов оборудования и авиационной техники.This option provides ceramic materials with high physico-mechanical, physico-chemical, thermophysical properties and operational characteristics, which provides the possibility of their use in the manufacture of critical parts and components of equipment and aircraft.

2. Второй вариант реализации способа (3-4 цикла ППП + ХОГФ) характеризуется тем, что в объеме пористого армирующего каркаса, выполненного из углеродных тканей или волокон в виде нитей, пучков или слоистых филаментов непрерывной или дискретной структуры (2D, 2D+1, 3D), формируют керамическую матрицу из карбонитрида кремния путем осуществления по меньшей трех-четырех циклов ППП до плотности композиционного материала 1,35…1,65 г/см3 в зависимости от начальной плотности каркаса, объемного содержания армирующего наполнителя и стадии насыщения. Затем для максимально равномерного заполнения пористого объема керамической фазой и повышения окислительной стойкости материала остаточную и приповерхностную пористость заполняют керамикой, сформированной из газовой фазы (ХОГФ) на основе смеси монометилсилана с добавлением азотсодержащего прокурсора (аммиака или азота), до конечной плотности композиционного материала не более 1,85 г/см3.2. The second embodiment of the method (3-4 cycles of PPP + HOGF) is characterized in that in the volume of the porous reinforcing frame made of carbon fabrics or fibers in the form of threads, bundles or layered filaments of continuous or discrete structure (2D, 2D + 1, 3D), a ceramic matrix is formed from silicon carbonitride by performing at least three to four SPP cycles up to a density of the composite material of 1.35 ... 1.65 g / cm 3 depending on the initial density of the carcass, the volume content of the reinforcing filler, and the saturation stage. Then, for the most uniform filling of the porous volume with the ceramic phase and increase the oxidative stability of the material, the residual and near-surface porosity is filled with ceramics formed from the gas phase (CHOF) based on a mixture of monomethylsilane with the addition of a nitrogen-containing procursor (ammonia or nitrogen) to a final density of the composite material of not more than 1 , 85 g / cm 3 .

Связь начальной (стартовой) плотности каркаса (1,0±0,15 г/см3) с необходимым количеством проведения 3-х или 4-х циклов ППП для достижения необходимой плотности показана в таблице 1.The relationship of the initial (starting) density of the frame (1.0 ± 0.15 g / cm 3 ) with the required number of 3 or 4 cycles of the RFP to achieve the required density is shown in table 1.

Figure 00000004
Figure 00000004

Реализация данного варианта получения керамоматричных композиционных материалов обеспечивает возможность изготовления деталей и узлов изделий, не воспринимающих значительных механических нагрузок в процессе эксплуатации, но имеющих достаточно высокую окислительную стойкость в агрессивных средах.The implementation of this option for producing ceramic composite materials provides the possibility of manufacturing parts and components of products that do not perceive significant mechanical loads during operation, but have a sufficiently high oxidation resistance in aggressive environments.

3. Третий вариант реализации способа (ХОГФ + 3 цикла ППП + ХОГФ) заключается в том, что в объеме пористого армирующего каркаса, выполненного из углеродных тканей или волокон в виде нитей, пучков или слоистых филаментов непрерывной или дискретной структуры (2D, 2D+1, 3D), формируют керамическую матрицу из карбонитрида кремния путем заполнения межфиламентных и межпучковых пор в процессе осаждения из газовой фазы (ХОГФ) смеси монометилсилана и аммиака (CH3SiH3+NH3) в непрерывном потоке в течение 40…100 часов при температуре 500-900°C до плотности 1,15…1,45 г/см3. Далее для максимально равномерного заполнения пористого объема керамической фазой остаточную пористость заполняют за счет осуществления не менее трех циклов ППП. В результате получают материал плотностью 1,65…1,85 г/см3, а затем осуществляют дополнительное уплотнение матрицы повторным процессом ХОГФ до плотности композиционного материала не менее 2,1 г/см3.3. The third embodiment of the method (HOGF + 3 PPP + HOGF cycles) is that in the volume of the porous reinforcing frame made of carbon fabrics or fibers in the form of threads, bundles or layered filaments of continuous or discrete structure (2D, 2D + 1 , 3D), they form a ceramic matrix of silicon carbonitride by filling interfilament and interbeam pores during gas deposition (CVD) of a mixture of monomethylsilane and ammonia (CH 3 SiH 3 + NH 3 ) in a continuous stream for 40 ... 100 hours at a temperature of 500 -900 ° C to a density of 1.15 ... 1.45 g / cm 3 . Further, for the most uniform filling of the porous volume with the ceramic phase, the residual porosity is filled by performing at least three SPP cycles. As a result, a material with a density of 1.65 ... 1.85 g / cm 3 is obtained, and then additional matrix compaction is carried out by the repeated process of CVD until the density of the composite material is at least 2.1 g / cm 3 .

Данный вариант реализации способа обеспечивает высокую окислительную стойкость композиционного материала в сочетании с достаточно высокими физико-механическими характеристиками.This embodiment of the method provides high oxidative stability of the composite material in combination with sufficiently high physical and mechanical characteristics.

Процессы химического осаждения из газовой фазы во всех вариантах реализации способа проводятся в газо-вакуумных печах при температуре 500…900°C и давлении 50…500 Па.Chemical vapor deposition processes in all process implementations are carried out in gas-vacuum furnaces at a temperature of 500 ... 900 ° C and a pressure of 50 ... 500 Pa.

Для обеспечения режимов формирования керамической матрицы жидкофазными методами и газовых сред требуемого состава с температурой в химическом реакторе до 900°C и давлении от 5 до 1×107 Па применяется специальная вакуум-компрессионная шахтная печь сопротивления с программным регулированием температуры. Печь предназначена для обработки материалов в вакууме или под давлением до 20 МПа при температурах до 1600°C и имеет следующие технические характеристики: скорость нагрева до 400°C/час; длительность выдержки при заданной температуре до 5 часов; натекание в газо-вакуумный контур не более 5·10-4 Па×м3/с; равномерность температуры в изотермической зоне ±5°C.To ensure the regimes of the formation of the ceramic matrix by liquid-phase methods and gaseous media of the required composition with a temperature in the chemical reactor up to 900 ° C and a pressure of 5 to 1 × 10 7 Pa, a special vacuum compression shaft resistance furnace with programmed temperature control is used. The furnace is designed to process materials in vacuum or under pressure up to 20 MPa at temperatures up to 1600 ° C and has the following technical characteristics: heating rate up to 400 ° C / hour; exposure time at a given temperature up to 5 hours; leakage into the gas-vacuum circuit is not more than 5 · 10 -4 Pa × m 3 / s; temperature uniformity in the isothermal zone ± 5 ° C.

Карбонитрид кремния во всех вариантах осуществления способа получают из силазана, или силана, или смеси монометилсилана и аммиака. При этом в качестве силана используют углеводородные силаны: метилсилан, этилсилан; в качестве силазанов - полисилазаны: дисилазан, метилсилазан, этилсилазан или циклосилазаны: трисилазан, тетрасилазан, пентасилазан или Si, N-метилциклосилазан и Si, N-этилциклосилазан.Silicon carbonitride in all embodiments of the process is obtained from silazane, or silane, or a mixture of monomethylsilane and ammonia. In this case, hydrocarbon silanes are used as silane: methylsilane, ethylsilane; as silazanes, polysilazanes: disilazane, methylsilazane, ethylsilazane or cyclosilazanes: trisilazane, tetrasilazane, pentasilazane or Si, N-methylcyclosilazane and Si, N-ethylcyclosilazane.

Примеры реализации способа по предложенным вариантам получения многофункциональных керамоматричных композиционных материалов.Examples of the method according to the proposed options for producing multifunctional ceramic composite materials.

1. Способ получения керамоматричного композиционного материала по варианту 1 (ХОГФ + 2-3 цикла ППП), обеспечивающий наиболее высокие функциональные характеристиками изделий относительно их механической прочности, теплостойкости и окислительной стойкости, реализуется в результате технологических воздействий в две стадии. На первой стадии уплотнение углерод - углеродного пористого армирующего каркаса непрерывной структуры (2D+1) (плотность порядка 1,05 г/см3, открытая пористость порядка 32%), выполненного на основе ткани УТ-900-3К-240 ЭД, кокса фенольной смолы и частично уплотненный пиролитическим углеродом из газовой фазы метана, осуществляется в процессе ХОГФ, обеспечивающего наибольшей вклад в заполнение пористого объема матрицы. Длительность процесса ХОГФ составляет не более 550 часов и проводится при температуре 500-900°C и давлении 50-500 Па. При этом плотность композиционного материала увеличивается до порядка 1,80 г/см3, а открытая пористость уменьшается до 8%. На второй стадии производится дальнейшее доуплотнение матрицы с применением метилсилазана в результате реализации трех циклов ППП, что составляет не более 24 часов технологического времени. Таким образом, общее технологическое время формирования карбонитридокремниевой матрицы не превышала 574 часов, а окончательная плотность композиционного материала увеличилась до 2,10 г/см3 при открытой пористости порядка 1,5%.1. The method of producing a ceramic composite material according to option 1 (HOGF + 2-3 PPP cycles), which provides the highest functional characteristics of products with respect to their mechanical strength, heat resistance and oxidative stability, is realized as a result of technological actions in two stages. At the first stage, the compaction of a carbon - carbon porous reinforcing framework of a continuous structure (2D + 1) (density of the order of 1.05 g / cm 3 , open porosity of the order of 32%), made on the basis of UT-900-3K-240 ED fabric, phenolic coke resin and partially compacted with pyrolytic carbon from the gas phase of methane, is carried out in the process of HOGF, which provides the greatest contribution to filling the porous volume of the matrix. The duration of the CVD process is not more than 550 hours and is carried out at a temperature of 500-900 ° C and a pressure of 50-500 Pa. The density of the composite material increases to about 1.80 g / cm 3 and the open porosity decreases to 8%. At the second stage, the matrix is further compacted using methylsilazane as a result of three PPP cycles, which is no more than 24 hours of technological time. Thus, the total technological time for the formation of the silicon nitride matrix did not exceed 574 hours, and the final density of the composite material increased to 2.10 g / cm 3 with an open porosity of about 1.5%.

2. Для получения керамоматричного композиционного материала по варианту 2 (3-4 цикла ППП + ХОГФ), используемого при изготовлении менее механически нагруженных и работающих в окислительных средах изделий, уплотнение пористого армирующего каркаса непрерывной структуры 2D (плотность порядка 1,05 г/см3, открытая пористость порядка 32%), сформированного на основе ткани УТ-900-3К-240-ЭД и кокса фенольной смолы, проводится в две стадии.2. To obtain a ceramic composite material according to option 2 (3-4 cycles of PPP + HOGF) used in the manufacture of products less mechanically loaded and working in oxidizing environments, sealing a porous reinforcing framework of a continuous structure 2D (density of the order of 1.05 g / cm 3 , open porosity of the order of 32%), formed on the basis of UT-900-3K-240-ED fabric and phenolic resin coke, is carried out in two stages.

Первоначально карбонитрид кремния формируют на пористом армирующем каркасе путем трехкратной цикловой пропитки предкерамическим полимером (олигоорганосилазаном) с последующей его полимеризацией и пиролизом (ППП) в азотсодержащей среде при температуре более 600°C и давлении до 0,8 МПа. При этом технологическое время проведения процесса при 4-х циклах ППП составляет примерно 32 часа. Плотность материала при этом составляет порядка 1,50 г/см3. Окончательное уплотнение матрицы проводится химическим осаждением из газовой фазы монометилсилана с аммиаком (ХОГФ) в диапазоне температур 500-900°C и давлении 50-500 Па в течение примерно 70 часов до достижения плотности композиционного материала порядка 1,75 г/см3 и открытой пористости порядка 1,5%. Пределы прочности при растяжении и сжатии такого керамоматричного композиционного материала составляют соответственно не менее 100 МПа и 140 МПа; а предел пропорциональности - не менее 35 МПа. Общее технологическое время формирования карбонитридокремниевой матрицы составило 132 часа; максимальное время уплотнения может достигать 190 часов.Initially, silicon carbonitride is formed on a porous reinforcing framework by triple cyclic impregnation with a pre-ceramic polymer (oligoorganosilazane) followed by its polymerization and pyrolysis (SPP) in a nitrogen-containing medium at a temperature of more than 600 ° C and a pressure of up to 0.8 MPa. At the same time, the technological time of the process with 4 cycles of IFR is approximately 32 hours. The density of the material is about 1.50 g / cm 3 . The final densification of the matrix is carried out by chemical vapor deposition of monomethylsilane with ammonia (CHOF) in the temperature range of 500-900 ° C and a pressure of 50-500 Pa for about 70 hours until the density of the composite material is about 1.75 g / cm 3 and open porosity about 1.5%. Tensile and compressive strengths of such a ceramic composite material are at least 100 MPa and 140 MPa, respectively; and the limit of proportionality is not less than 35 MPa. The total technological time for the formation of the silicon nitride matrix was 132 hours; The maximum compaction time can reach 190 hours.

3. Для получения керамоматричного композиционного материала с повышенными функциональными характеристиками по варианту 3 (ХОГФ + 3 цикла ППП + ХОГФ) использовали углерод - углеродный пористый армирующий каркас непрерывной структуры 2D+1 (плотность порядка 1,1 г/см3, открытая пористость порядка 30%), выполненный на основе ткани УТ-900-3К-240-ЭД, кокса фенольной смолы и частично уплотненный пиролитическим углеродом из газовой фазы метана. Уплотнение пористого каркаса карбонитридом кремния производили в результате технологических воздействий в три стадии. Первоначально карбонитрид кремния осаждали из газовой смеси монометилсилана и аммиака (CH3SiH3+NH3) в непрерывном потоке в диапазоне температур 500-900°C и давлении 50-500 Па в течение порядка 100 часов. Процесс химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) проводится до преимущественного закрытия межфиламентной пористости и обеспечивает значение плотности порядка 1,35 г/см3. На второй стадии проводили три цикла пропитки предкерамическим полимером (олигоорганосилазаном) с последующей полимеризацией и пиролизом в азотсодержащей среде при температуре более 600°C и давлении до 0,8 МПа. На данной стадии технологическое время проведения процесса составило 24 часа. Плотность материала при этом повысилась до порядка 1,75 г/см3. На третьей стадии для закрытия приповерхностной пористости проводили химическое осаждение из газовой (ХОГФ) смеси монометилсилана и аммиака в диапазоне температур 500-900°C и давлении 50-500 Па в течение 60 часов. Финишная плотность керамоматричного композиционного материала при этом составила 2,1 г/см3 при открытой пористости менее 1%.3. To obtain a ceramic composite material with improved functional characteristics according to option 3 (HOGF + 3 PPP + HOGF cycles), a carbon – carbon porous reinforcing frame of a continuous structure 2D + 1 (density of the order of 1.1 g / cm 3 , open porosity of the order of 30 %), made on the basis of UT-900-3K-240-ED fabric, phenolic resin coke and partially densified with pyrolytic carbon from the methane gas phase. The compaction of the porous framework with silicon carbonitride was carried out as a result of technological actions in three stages. Initially, silicon carbonitride was precipitated from a gas mixture of monomethylsilane and ammonia (CH 3 SiH 3 + NH 3 ) in a continuous stream in the temperature range of 500-900 ° C and a pressure of 50-500 Pa for about 100 hours. The process of chemical vapor deposition (CVD) is carried out until the predominant closure of interfilament porosity and provides a density of about 1.35 g / cm 3 . At the second stage, three cycles of impregnation with a pre-ceramic polymer (oligoorganosilazane) were carried out, followed by polymerization and pyrolysis in a nitrogen-containing medium at a temperature of more than 600 ° C and a pressure of up to 0.8 MPa. At this stage, the technological time of the process was 24 hours. The density of the material increased to about 1.75 g / cm 3 . In the third stage, to close the near-surface porosity, a chemical vapor deposition of a mixture of monomethylsilane and ammonia was carried out in a gas temperature range of 500–900 ° C and a pressure of 50–500 Pa for 60 hours. The final density of the ceramic composite material was 2.1 g / cm 3 with an open porosity of less than 1%.

Реализация данного варианта получения ККМ позволяет сократить технологическое время на 20-25% по сравнению с процессом получения керамической матрицы только химическим осаждением из газовой фазы (ХОГФ). Пределы прочности при растяжении и сжатии такого материала составляют не менее 130 МПа и 170 МПа соответственно, а предел пропорциональности - 42 МПа.The implementation of this embodiment of obtaining CMC allows to reduce the technological time by 20-25% in comparison with the process of obtaining a ceramic matrix only by chemical vapor deposition (CVD). The tensile and compressive strengths of such a material are at least 130 MPa and 170 MPa, respectively, and the proportionality limit is 42 MPa.

После проведения испытаний в воздушной среде 120 циклов (нагрев до 1050°C за 40 секунд - выдержка в течение 20 минут - охлаждение до 20°C в пределах 150…200 секунд) снижение предела прочности при растяжении составляет не более 4,5%; а предела пропорциональности - 4,7%. Это более чем в 2 раза превышает окислительную стойкость традиционного C/SiC материала и более чем на 20% физико-механические характеристики КМ типа C/SiC после аналогичных испытаний.After testing in air 120 cycles (heating to 1050 ° C in 40 seconds - holding for 20 minutes - cooling to 20 ° C within 150 ... 200 seconds), the decrease in tensile strength is not more than 4.5%; and the limit of proportionality is 4.7%. This is more than 2 times the oxidation resistance of a traditional C / SiC material and more than 20% physical and mechanical properties of C / SiC type CMs after similar tests.

При работе до 1050°C деградация свойств материала будет меньше, чем в представленном примере. При температурах выше 1050°C - соответственно больше. При этом тенденция в преимуществе композиционного материала с SiCN матрицей до 1400°C по сравнению с композиционным материалом с матрицей SiC будет сохраняться.When operating up to 1050 ° C, the degradation of material properties will be less than in the presented example. At temperatures above 1050 ° C - respectively more. In this case, the tendency in the advantage of a composite material with a SiCN matrix up to 1400 ° C compared with a composite material with a SiC matrix will continue.

Общее технологическое время формирования карбонитридокремниевой матрицы составило 324 часа; максимальное время уплотнения может достигать 374 часов.The total technological time for the formation of the silicon nitride matrix was 324 hours; The maximum compaction time can reach 374 hours.

Claims (10)

1. Способ получения многофункциональных керамоматричных композиционных материалов, заключающийся в том, что в объеме пористого армирующего каркаса, выполненного из углеродных тканей или волокон в виде нитей, пучков или слоистых филаментов непрерывной или дискретной структуры, формируют керамическую матрицу из карбонитрида кремния путем заполнения межфиламентных и межпучковых пор в процессе химического осаждения из газовой фазы до плотности 1,55…1,85 г/см3, а далее для максимально равномерного заполнения пористого объема керамической фазой остаточную пористость заполняют за счет осуществления двух или трех циклов пропитки, полимеризации и пиролиза (ППП), в результате получают материал с плотностью не менее 2,1 г/см3, при этом химическое осаждение проводят в газо-вакуумных печах при температуре 500…900°C и давлении 50…500 Па.1. The method of obtaining multifunctional ceramic-matrix composite materials, which consists in the fact that in the volume of a porous reinforcing frame made of carbon fabrics or fibers in the form of threads, bundles or layered filaments of continuous or discrete structure, a ceramic matrix of silicon carbonitride is formed by filling interfilament and inter-beam then in the process of chemical deposition from the gas phase to a density of 1.55 ... 1.85 g / cm 3 , and then for the most uniform filling of the porous volume of ceramic f The residual porosity is filled in by means of two or three cycles of impregnation, polymerization and pyrolysis (PPP), the result is a material with a density of at least 2.1 g / cm 3 , while chemical deposition is carried out in gas-vacuum furnaces at a temperature of 500 ... 900 ° C and a pressure of 50 ... 500 Pa. 2. Способ по п. 1, заключающийся в том, что керамическую матрицу из карбонитрида кремния получают из силазана и силана.2. The method according to p. 1, which consists in the fact that the ceramic matrix of silicon carbonitride is obtained from silazane and silane. 3. Способ по п. 2, характеризующийся тем, что в качестве силана используют углеводородные силаны: метилсилан, этилсилан; в качестве силазанов - полисилазаны: дисилазан, метилсилазан, этилсилазан или циклосилазаны: трисилазан, тетрасилазан, пентасилазан или Si, N-метилциклосилазан и Si, N-этилциклосилазан.3. The method according to p. 2, characterized in that the silane used is hydrocarbon silanes: methylsilane, ethylsilane; as silazanes, polysilazanes: disilazane, methylsilazane, ethylsilazane or cyclosilazanes: trisilazane, tetrasilazane, pentasilazane or Si, N-methylcyclosilazane and Si, N-ethylcyclosilazane. 4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что процесс пропитки с последующей полимеризацией и пиролизом осуществляют в вакуум-компрессионной шахтной печи сопротивления при температуре до 1600°C в газовых средах с давлением до 20 МПа.4. The method according to p. 1, characterized in that the impregnation process followed by polymerization and pyrolysis is carried out in a vacuum compression shaft resistance furnace at temperatures up to 1600 ° C in gaseous media with a pressure of up to 20 MPa. 5. Способ получения многофункциональных керамоматричных композиционных материалов, заключающийся в том, что в объеме пористого армирующего каркаса, выполненного из углеродных тканей или волокон в виде нитей, пучков или слоистых филаментов непрерывной или дискретной структуры, формируют керамическую матрицу из карбонитрида кремния путем осуществления трех или четырех циклов процесса пропитки с последующей полимеризацией и пиролизом до плотности композиционного материала 1,35…1,65 г/см3 в зависимости от начальной плотности каркаса, объемного содержания армирующего наполнителя и стадии насыщения, а затем для максимально равномерного заполнения пористого объема керамической фазой остаточную пористость заполняют керамикой, сформированной на основе смеси монометилсилана с добавлением азотсодержащего прокурсора в процессе химического осаждения из газовой фазы до конечной плотности композиционного материала не менее 1,85 г/см3, при этом химическое осаждение проводят в газо-вакуумных печах при температуре 500…900°C и давлении 50…500 Па.5. A method for producing multifunctional ceramic-matrix composite materials, which consists in the fact that in the volume of a porous reinforcing frame made of carbon fabrics or fibers in the form of threads, bundles or layered filaments of continuous or discrete structure, a ceramic matrix of silicon carbonitride is formed by the implementation of three or four cycles of the impregnation process with subsequent polymerization and pyrolysis to a density of the composite material of 1.35 ... 1.65 g / cm 3 depending on the initial density of the frame, volume a lot of reinforcing filler content and saturation stage, and then for the most uniform filling of the porous volume with a ceramic phase, the residual porosity is filled with ceramics formed on the basis of a mixture of monomethylsilane with the addition of a nitrogen-containing procursor during chemical deposition from the gas phase to a final density of the composite material of at least 1.85 g / cm 3 , while chemical deposition is carried out in gas-vacuum furnaces at a temperature of 500 ... 900 ° C and a pressure of 50 ... 500 Pa. 6. Способ по п. 5, заключающийся в том, что керамическую матрицу из карбонитрида кремния получают из силазана и смеси монометилсилана и аммиака.6. The method according to p. 5, which consists in the fact that the ceramic matrix of silicon carbonitride is obtained from silazane and a mixture of monomethylsilane and ammonia. 7. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что в качестве силазанов используют полисилазаны: дисилазан, метилсилазан, этилсилазан или циклосилазаны: трисилазан, тетрасилазан, пентасилазан или Si, N-метилциклосилазан и Si, N-этилциклосилазан.7. The method according to claim 6, characterized in that polysilazanes are used as silazanes: disilazane, methylsilazane, ethylsilazane or cyclosilazanes: trisilazane, tetrasilazane, pentasilazane or Si, N-methylcyclosilazane and Si, N-ethylcyclosilazane. 8. Способ получения многофункциональных керамоматричных композиционных материалов, заключающийся в том, что в объеме пористого армирующего каркаса, выполненного из углеродных тканей или волокон в виде нитей, пучков или слоистых филаментов непрерывной или дискретной структуры, формируют керамическую матрицу из карбонитрида кремния путем заполнения межфиламентных и межпучковых пор в процессе химического осаждения из газовой фазы в течение 40…100 часов до плотности 1,15…1,45 г/см3, далее для максимально равномерного заполнения пористого объема керамической фазой остаточную пористость заполняют за счет осуществления трех циклов процесса пропитки с последующей полимеризацией и пиролизом, в результате получают материал с плотностью 1,65…1,85 г/см3, затем осуществляют дополнительное уплотнение матрицы в процессе химического осаждения из газовой фазы в течение 40…100 часов до плотности композиционного материала не менее 2,1 г/см3, при этом химическое осаждение проводят в газовакуумных печах при температуре 500…900°C и давлении 50…500 Па.8. A method of obtaining multifunctional ceramic-matrix composite materials, which consists in the fact that in the volume of a porous reinforcing frame made of carbon fabrics or fibers in the form of threads, bundles or layered filaments of continuous or discrete structure, a ceramic matrix of silicon carbonitride is formed by filling interfilament and inter-beam then in the process of chemical vapor deposition for 40 ... 100 hours to a density of 1.15 ... 1.45 g / cm 3, then for the most uniform filling of porous EMA residual porosity of the ceramic phase is filled by performing three cycles of the impregnation process, followed by polymerization and pyrolysis to yield material with a density of 1.65 ... 1.85 g / cm 3, and then carried out further densification of the matrix in the process of chemical deposition from the gas phase into 40 ... 100 hours to a density of composite material of at least 2.1 g / cm 3 , while chemical deposition is carried out in gas-vacuum furnaces at a temperature of 500 ... 900 ° C and a pressure of 50 ... 500 Pa. 9. Способ по п. 8, заключающийся в том, что керамическую матрицу из карбонитрида кремния получают из силазана и силана или смеси монометилсилана и аммиака.9. The method of claim 8, wherein the ceramic matrix is made of silicon carbonitride from silazane and silane or a mixture of monomethylsilane and ammonia. 10. Способ по п. 8, характеризующийся тем, что в качестве силана используют углеводородные силаны: метилсилан, этилсилан; в качестве силазанов - полисилазаны: дисилазан, метилсилазан, этилсилазан или циклосилазаны: трисилазан, тетрасилазан, пентасилазан или Si, N-метилциклосилазан и Si, N-этилциклосилазан. 10. The method according to p. 8, characterized in that as the silane using hydrocarbon silanes: methylsilane, ethylsilane; as silazanes, polysilazanes: disilazane, methylsilazane, ethylsilazane or cyclosilazanes: trisilazane, tetrasilazane, pentasilazane or Si, N-methylcyclosilazane and Si, N-ethylcyclosilazane.
RU2015108788/03A 2015-03-13 2015-03-13 Method of producing multifunctional ceramic matrix composite materials (versions) RU2603330C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015108788/03A RU2603330C2 (en) 2015-03-13 2015-03-13 Method of producing multifunctional ceramic matrix composite materials (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015108788/03A RU2603330C2 (en) 2015-03-13 2015-03-13 Method of producing multifunctional ceramic matrix composite materials (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015108788A RU2015108788A (en) 2016-10-10
RU2603330C2 true RU2603330C2 (en) 2016-11-27

Family

ID=57122086

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015108788/03A RU2603330C2 (en) 2015-03-13 2015-03-13 Method of producing multifunctional ceramic matrix composite materials (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2603330C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2685130C1 (en) * 2018-01-29 2019-04-16 Открытое акционерное общество "Композит" Method of manufacturing porous base frame of composite material
RU2735471C1 (en) * 2019-09-25 2020-11-02 Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина» Method of obtaining articles of complex shape based on reaction-bonded silicon carbide
RU2768291C2 (en) * 2017-06-13 2022-03-23 Сафран Серамикс Method for producing part from composite material

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5459114A (en) * 1992-11-26 1995-10-17 Tonen Corporation Method for producing ceramic products
RU2415109C1 (en) * 2009-11-17 2011-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Вириал" Nanostructured ceramic matrix composite material and method of producing said material
EP1702908B1 (en) * 2004-01-08 2014-03-26 IHI Corporation Composite material and method for producing same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5459114A (en) * 1992-11-26 1995-10-17 Tonen Corporation Method for producing ceramic products
EP1702908B1 (en) * 2004-01-08 2014-03-26 IHI Corporation Composite material and method for producing same
RU2415109C1 (en) * 2009-11-17 2011-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Вириал" Nanostructured ceramic matrix composite material and method of producing said material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ТУЧИНСКИЙ Л.И. "Композиционные материалы, получаемые методом пропитки", Москва, Металлургия, 1986, 200 с. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2768291C2 (en) * 2017-06-13 2022-03-23 Сафран Серамикс Method for producing part from composite material
RU2685130C1 (en) * 2018-01-29 2019-04-16 Открытое акционерное общество "Композит" Method of manufacturing porous base frame of composite material
RU2735471C1 (en) * 2019-09-25 2020-11-02 Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина» Method of obtaining articles of complex shape based on reaction-bonded silicon carbide

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015108788A (en) 2016-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6954685B2 (en) Silicon Carbide Fiber Reinforced Silicon Carbide Composite
EP2543650B1 (en) Method for manufacturing high-density fiber reinforced ceramic composite materials
US7799375B2 (en) Process for the manufacturing of dense silicon carbide
EP1063210B1 (en) Method for manufacturing ceramic-based composite material
Wang et al. Gradient structure high emissivity MoSi2-SiO2-SiOC coating for thermal protective application
EP2308810A1 (en) Ceramic matrix composite system and method of manufacture
JP2017526610A (en) Method for producing composite parts by self-sustained reaction at high temperature
RU2603330C2 (en) Method of producing multifunctional ceramic matrix composite materials (versions)
Wang et al. Fabrication of carbon fiber reinforced ceramic matrix composites with improved oxidation resistance using boron as active filler
EP2361897B1 (en) PROCESS FOR PRODUCING SiC FIBER BONDED CERAMIC
Noviyanto The effect of polysilazane on the densification and mechanical properties of SiCf/SiC composites
JP5168451B2 (en) Method for producing porous molded body and method for producing porous filled molded body
US6069102A (en) Creep-resistant, high-strength silicon carbide fibers
EP3597621B1 (en) Method for producing silicon-carbide-based composite
JP2018002493A (en) Sic/sic composite material and method for producing same
Cinibulk et al. Constituent Development for Higher-Temperature Capable Ceramic Matrix Composites
Qiu et al. High-temperature oxidation resistance behavior and mechanism of HfSiO4-modified C/SiC composites
Yan et al. Oxidation behavior of CVI, MSI and CVI+ MSI C/SiC composites
KR101540306B1 (en) Method for manufacturing SiCf/SiC composites
JP7452949B2 (en) Ceramic fiber reinforced ceramic composite material and its manufacturing method
Liu et al. Research on manufacturing process of carbon-carbon composites as ablation resistance materials
Istomina et al. Fabrication of Carbon–Silicon Carbide Core–Shell Composite Fibers
Swaminathan et al. Preceramic Polymer-Derived C/C-SiC and C/C-SiBCO Composites for High Temperature Applications
Richards Development of New Matrix and Interfacial Materials for Ceramic Matrix Composites
Ishizaki et al. Fabrication of advanced C/C composites by a hybrid process of CVI/liquid precursor impregnation

Legal Events

Date Code Title Description
TC4A Altering the group of invention authors

Effective date: 20170830

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180314