RU2626501C2 - Углерод-карбидокремниевый композиционный материал на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса - Google Patents
Углерод-карбидокремниевый композиционный материал на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626501C2 RU2626501C2 RU2015140597A RU2015140597A RU2626501C2 RU 2626501 C2 RU2626501 C2 RU 2626501C2 RU 2015140597 A RU2015140597 A RU 2015140597A RU 2015140597 A RU2015140597 A RU 2015140597A RU 2626501 C2 RU2626501 C2 RU 2626501C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- silicon
- composite material
- silicon carbide
- temperature
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
- C04B2235/422—Carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
- C04B2235/428—Silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
- C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
- C04B2235/5208—Fibers
- C04B2235/5216—Inorganic
- C04B2235/524—Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
- C04B2235/5248—Carbon, e.g. graphite
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
- C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
- C04B2235/5208—Fibers
- C04B2235/5268—Orientation of the fibers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped 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
- C04B35/52—Shaped 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 carbon, e.g. graphite
- C04B35/521—Shaped 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 carbon, e.g. graphite obtained by impregnation of carbon products with a carbonisable material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped 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
- C04B35/52—Shaped 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 carbon, e.g. graphite
- C04B35/528—Shaped 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 carbon, e.g. graphite obtained from carbonaceous particles with or without other non-organic components
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped 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
- C04B35/56—Shaped 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 carbides or oxycarbides
- C04B35/565—Shaped 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 carbides or oxycarbides based on silicon carbide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
- C04B35/62844—Coating fibres
- C04B35/62857—Coating fibres with non-oxide ceramics
- C04B35/6286—Carbides
- C04B35/62863—Silicon carbide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
- C04B35/62844—Coating fibres
- C04B35/62857—Coating fibres with non-oxide ceramics
- C04B35/62873—Carbon
-
- C04B35/806—
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/4584—Coating or impregnating of particulate or fibrous ceramic material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
- C04B41/81—Coating or impregnation
- C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
- C04B41/87—Ceramics
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области углерод-карбидокремниевых конструкционных материалов на основе объемно-армированных каркасов из углеродного волокна, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химической, нефтяной и металлургической промышленности, а также в авиакосмической технике. Углерод-карбидокремниевый композиционный материал имеет объемно-армированную структуру на основе многонаправленных стержневых каркасов (n=3, 4 …, где n - число направлений армирования) из углеродного волокна и комплексную углерод-карбидокремниевую матрицу, получаемую из углеводородов в процессе их карбонизации при атмосферном давлении или изостатически под давлением, насыщения заготовок пироуглеродом, высокотемпературной обработки, предварительного силицирования и последующего повторного силицирования после механической обработки. Силицирование (предварительное и повторное) углерод-углеродной заготовки может проводиться любым известным способом, в том числе смесью кремния и бора или смесью кремния с другими тугоплавкими компонентами, или соединениями на основе кремния при плотности заготовок под силицирование в пределах от 1,60 до 1,95 г/см3 в зависимости от конечного использования материала. Представленный углерод-карбидокремниевый композиционный материал обладает высокой термоэрозионной и окислительной стойкостью, а также достаточными физико-механическими характеристиками, которые повышаются с ростом температуры. 1 з.п. ф-лы, 8 пр., 2 табл., 2 ил.
Description
Изобретение относится к области углерод-карбидокремниевых конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, а также к области создания и производства углеродных материалов на основе объемно-армированных каркасов из углеродного волокна и может быть использовано в химической, нефтяной и металлургической промышленности, а также в авиакосмической технике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред.
Известен способ получения изделий из углерод-карбидокремниевого композиционного материала и углерод-карбидокремниевый композиционный материал [1]. Углерод-карбидокремниевый композиционный материал содержит основу в виде каркаса из углеродных волокон, размещенных в углеродной матрице, и карбид кремния в виде жил, пронизывающих промежутки между углеродными волокнами, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углеродные волокна 30-72, углерод матрицы 0,5-5,0, карбид кремния 26-65. При этом материал содержит дополнительно 0,1-2,5 мас. % соединений бора, а углеродные волокна в нем находятся в виде тканой структуры. Материал способен работать в экстремальных условиях и при разрушении поверхностного защитного слоя, по меньшей мере, до завершения рабочего цикла температурного нагружения в условиях окислительной среды.
К недостаткам этого материала следует отнести его сравнительно невысокую прочность на сдвиг, что обусловливает пониженную термопрочность материала, потому что он, будучи изготовленным по полному циклу препреговой технологии на основе пропитанных связующим и спрессованных слоев углеродной ткани, имеет двунаправленную структуру армирования.
Известен композиционный материал [2], содержащий углеродные волокна и углерод-карбидокремниевую матрицу с добавкой бора, отличающийся тем, что он имеет трехмерно армированную структуру, образованную непрерывными углеродными волокнами, а матрица состоит из пироуглерода и карбида кремния, распределенного в ее объеме и на поверхности материала, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:
| Карбид кремния | 10-50 |
| Бор | 0,5-1,2 |
| Пироуглерод | остальное |
Недостатком материала является недостаточная жаростойкость (высокая убыль массы) при температуре 1500°С.
Кроме того, технологией производства углеволокнистых каркасов по патенту [2] (примеры 1 и 2) являются процессы ткачества, в ходе которых углеродные нити травмируются и не сохраняют свои первоначальные свойства.
Известен способ производства углерод-углеродных композиционных материалов на основе объемно-армированных каркасов из высокомодульного волокна [3]. При наименьших трудовых и временных затратах полученный материал обладает высокой кажущейся плотностью (1,95-2,01 г/см3) и увеличенным уровнем коэффициента теплопроводности (130-140 Вт/м⋅К). Способ включает последовательные процессы пропитки волокнистой заготовки расплавленными углеводородами и карбонизации в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления, где в качестве передающей давление среды используют кварцевый песок, извлечения заготовки и ее графитации в вакууме, причем эти процессы повторяют до получения материала с плотностью 1,95-2,01 г/см3. Для пропитки и карбонизации в герметизированном контейнере заготовку помещают в специальное приспособление, состоящее из двух одинаковых частей, нижней и верхней, каждая из которых выполнена из металлического кольца и графитовых пластин, размещенных внахлест вертикально диаметрально к сварному шву контейнера и металлическому кольцу, при этом свободное пространство контейнера засыпают углеводородами. Графитацию в вакууме проводят в пять этапов с понижением температуры от первого этапа к последнему: на первом этапе температура не более 2700°С, на втором этапе не более 2100°С, на третьем этапе не более 1700°С, на четвертом этапе не более 1300°С, на пятом этапе не более 800°С.
Недостатком этого способа является отсутствие в получаемом материале окислительностойкой керамической компоненты. Известно, что углеродные материалы недостаточно устойчивы к окислению, что приводит к потере прочности при температурах выше 450°С и ограничивает возможность их использования в изделиях, применяемых в экстремальных условиях.
Известен способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого композиционного материала [4]. Способ включает изготовление углепластиковой заготовки на основе углеродного волокна и термореактивного связующего, ее термическую обработку до образования коксовой матрицы, армированной углеродными волокнами, последующее уплотнение коксовой матрицы путем насыщения пироуглеродом и силицирование. Насыщение пироуглеродом проводят до получения промежуточной плотности углеродной заготовки 78-87% от максимальной кажущейся плотности углеродного материала, после чего проводят предварительное силицирование при температуре 1500-1650°С и остаточном давлении 1-36 мм рт.ст., с последующей отгонкой свободного Si при температуре 1800-1850°С и остаточном давлении 1-36 мм рт.ст., а затем материал пропитывают коксующимся связующим, карбонизируют и окончательно силицируют парофазным методом.
Недостатком этого способа является то, что материал и изделия из него обладают недостаточной термопрочностью вследствие отсутствия у них объемно-армированной структуры.
Задачей предлагаемого изобретения является производство углерод-карбидокремниевого композиционного материала на основе многонаправленных армирующих стержневых каркасов (n=3, 4 …, где n - число направлений армирования) из углеродного волокна и изделий из такого материала, обладающих высокой термопрочностью, окислительной и эрозионной стойкостью.
Поставленная задача решается получением углерод-карбидокремниевого композиционного материала, отличающегося тем, что он имеет объемно-армированную структуру на основе многонаправленных стержневых каркасов (n=3, 4 …, где n - число направлений армирования) из углеродного волокна и комплексную углерод-карбидокремниевую матрицу, получаемую из углеводородов в процессе их карбонизации при атмосферном давлении или изостатически под давлением, насыщения заготовок пироуглеродом, высокотемпературной обработки, предварительного силицирования и повторного силицирования после мехобработки с целью образования на поверхности сплошного противоокислительного покрытия, в котором силицирование (предварительное и повторное) углерод-углеродной заготовки объемно-армированной структуры может проводиться любым известным способом, при плотности заготовок под силицирование в пределах от 1,60 до 1,95 г/см3 в зависимости от конечного использования материала.
Технологическая схема производства углерод-карбидокремниевого композиционного материала на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса включает:
- изготовление углеродных стержней из углеродной нити и сборку многонаправленного каркаса, при этом каркас собран из отдельных стержней, каждый из которых представляет собой собранную в несколько сложений нить из углеродного волокна, пропитанную водным раствором поливинилового спирта (ПВС), пропущенную
через ряд фильер для придания формы стержня с круглым или эллиптическим сечением и отвержденную;
- пропитку каркаса пеком и карбонизацию при атмосферном давлении;
- насыщение заготовки пироуглеродом;
- пропитку пеком и изостатическую карбонизацию под давлением, достаточным для принудительной пропитки наиболее мелкой пористости углерод-углеродной заготовки, которая может проводиться, в том числе в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления;
- высокотемпературную обработку (ВТО) при температуре, достаточной для кристаллизации пироуглерода, в случае его осаждения, а также достижения уровня истинной плотности пекового кокса выше 2,1 г/см3, и образования поровых каналов в комплексной углеродной матрице;
- предварительное силицирование углерод-углеродной заготовки;
- механическую обработку заготовки в целевую деталь;
- повторное силицирование после мехобработки с целью образования на поверхности сплошного противоокислительного покрытия.
Следует отметить, что стержневые структуры обладают явным преимуществом по сравнению с плетеными и ткаными, поскольку при изготовлении стержней углеродные нити в отличие от процессов ткачества практически не травмируются и сохраняют свои первоначальные свойства, что существенно увеличивает реализацию прочности армирующего наполнителя в композите. Благодаря совершенству своей структуры стержневые каркасы обладают высоким уровнем однородности характеристик по всему объему заготовки. В процессе их изготовления практически исключаются такие дефекты структуры, как обрыв и пропуск наполнителя, свойственные тканым каркасам. Кроме того, в стержневых структурах возможно достичь гораздо большего объемного содержания волокна, чем в плетеных.
Для достижения наибольшей реализации прочности углеродного наполнителя в углерод-керамическом материале необходимо первоначальное получение углерод-углеродной основы такой плотности и столь низкой пористости, при которых в ней достигается наибольшая реализация прочности углеродного наполнителя. Расчетное значение показателя реализации прочности углеродного наполнителя устанавливается с учетом объемного содержания волокна, уровня его прочности, дисперсии показателей прочности и модуля упругости, а также с учетом уровня остаточной пористости.
Расчетная и экспериментально установленная прочность должна быть достаточной для служебной пригодности будущего изделия.
Предлагаемый способ получения углерод-углеродной основы всегда сопровождается выходом летучих продуктов карбонизации пека или летучих при высокотемпературной стабилизации состава. Поэтому даже при максимальном уровне плотности углерод-углеродной основы всегда остаются открытые поры, доступные для диффузионных процессов импрегнирования.
После получения углерод-углеродной основы проводится предварительный первый процесс силицирования.
После силицирования из заготовки механической обработкой получают целевую деталь. Затем деталь подвергается повторному силицированию с образованием на поверхности слоя карбида кремния, эффективно защищающего углеродные участки поверхности от окисления. При этом керамической компонентой заполняются упомянутые выше микротрещины и углеродные стержни в приповерхностных слоях частично карбидизуются, что приводит к уплотнению барьерного противоокислительного слоя и замедляет скорость выгорания углеродной составляющей композиционного материала.
Силицирование может проводиться любым известным способом, в том числе смесью кремния и бора или смесью кремния с другими тугоплавкими компонентами, или соединениями на основе кремния, в том числе кремнийорганическими. Плотность заготовок под силицирование может находиться в пределах от 1,60 до 1,95 г/см3 в зависимости от поставленных задач.
Предлагаемый композиционный материал отличается тем, что:
- имеет многомерно армированную структуру, которая, как показывает практика эксплуатации изделий ракетно-космической техники (вкладыши критического сечения ракетных двигателей твердого топлива и головные части блоков, входящих с высокими скоростями в плотные слои атмосферы), обладает достаточной термопрочностью в крайне тяжелых рабочих условиях;
- имеет в своем составе углеродную компоненту (пековый кокс, пироуглерод), которая до температур сублимации графита характеризуются наибольшей жаростойкостью из имеющихся сегодня конструкционных материалов;
- имеет в своем составе керамические компоненты, способные повышать его окислительную и эрозионную стойкость;
- имеет максимальную плотность и минимальную пористость для повышения абляционной стойкости и исключающую диффузионное проникновение окисляющей рабочей среды в объем композита.
Примеры конкретного выполнения осуществляются на стандартном оборудовании [5], испытание материала проводится на испытательном оборудовании и по методикам сертификационного центра АО «НИИграфит».
Пример конкретного выполнения
Изготавливают углерод-углеродную заготовку 0210 мм и высотой 240 мм четырехмерной структуры (4D-L). Для этого стержневой каркас из углеродного волокна, например марки ВМН-4, пропитывают расплавленным среднетемпературным каменноугольным пеком в термовакуумном шкафу при температуре не выше 300°С. Затем пропитанную пеком заготовку карбонизируют в среде коксовой засыпки в шахтной электрической печи при температуре не ниже 650°С. Процессы пропитки и карбонизации повторяют до получения заготовки плотностью 1-1,2 г/см3. Далее заготовку подвергают пропитке расплавленным высокотемпературным каменноугольным пеком и изостатической карбонизации в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления по известным режимам. Затем проводят высокотемпературную обработку заготовки в электровакуумной печи при температуре (2100-2300)°С. Процессы пропитки, изостатической карбонизации под давлением и высокотемпературной обработки повторяют до получения заготовки плотностью 1,60-1,75 г/см3. Затем заготовку механически разрезают на диски высотой 35 мм. Объемное силицирование дисков из углерод-углеродного материала проводят в электровакуумной печи расплавом кремния известным способом дождевания при температуре (1700-1900)°С. Далее силицированный диск механически обрабатывают в целевую деталь на токарно-фрезерном оборудовании, которую повторно силицируют для образования по всей поверхности сплошного противоокислительного покрытия.
Пример 2 по примеру 1, отличается тем, что для изготовления углерод-углеродной заготовки используют стержневой каркас мелкоячеистой структуры (диаметр стержня ∅c≤1 мм).
Пример 3 по примерам 1 и 2 отличается тем, что углерод-углеродную заготовку плотностью 1-1,2 г/см3 сначала насыщают пироуглеродом в электровакуумной печи с подачей сетевого газа при температуре (900-1150)°С, и лишь затем подвергают пропитке расплавленным высокотемпературным каменноугольным пеком и изостатической карбонизации в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления по известным режимам.
Пример 4 по примерам 1, 2, 3, отличается тем, что процессы пропитки, изостатической карбонизации под давлением и высокотемпературной обработки повторяют до получения заготовки плотностью 1,82-1,95 г/см3, при этом силицирование проводят однократно после мехобработки в целевую деталь для образования по всей поверхности сплошного противоокислительного покрытия.
Пример 5 по примерам 1, 2, 3, 4 отличается тем, что используют углерод-углеродную заготовку трехмерной структуры (3D).
Пример 6 по примерам 1, 2, 3, 4, 5 отличается тем, что вместо пропитки среднетемпературным каменноугольным пеком и карбонизации при атмосферном давлении проводят процессы пропитки высокотемпературным каменноугольным пеком и изостатической карбонизации под давлением по режиму примера 1.
Пример 7 по примерам 1, 2, 3, 4, 5, 6 отличается тем, что повторное силицирование для образования по всей поверхности сплошного противоокислительного покрытия проводят при температуре 1700-1900°С известным парожидкофазным способом.
Пример 8 по примерам 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 отличается тем, что повторное силицирование для образования по всей поверхности сплошного противоокислительного покрытия проводят при температуре 1700-1900°С с помощью боросодержащего шликера известного состава.
Углерод-карбидокремниевый композиционный материал по примерам 1-8 обладает следующим соотношением компонентов, мас.%: углерод - 71-96, карбид кремния - 3-24, кремний - 0,2-5, соединения бора - 0-2, диоксид кремния - 0-1.
В таблице 1 представлены результаты определения физико-механических свойств образцов материала по приведенным примерам.
В таблице 2 приведены результаты испытаний образцов материалов на высокочастотном индукционном плазмотроне. Образцы показали минимальный унос массы и отсутствие линейного уноса в точке торможения в течение 600, 2700 и 1200 с при следующих режимах испытаний: давление P∝=0,01 МПа, потребляемая плазмотроном мощность N=30 кВт, температуры на поверхности TW=1140, 1170 и 1450°С, соответственно, а также в течение 1800 с при P∝=0,1 МПа, N=20 кВт и TW=1500°С.
На фигурах 1 и 2 представлены фотографии внутренней структуры материала образца после проведенных испытаний, полученные методом рентгеновской компьютерной томографии. Светлым видится карбидокремниевая составляющая композиционного материала, в том числе покрытие по контуру. Исследование показало, что там, где в приповерхностных слоях имеет место частичная карбидизация углеродных стержней, усиливающая сцепление формируемого на поверхности SiC-покрытия с объемом материала и приводящая к увеличению толщины барьерного противоокислительного слоя, прогара не происходит. В местах, где такая карбидизация отсутствует, происходит выгорание углеродного материала стержня вплоть до матричного слоя SiC.
Выводы
Представленный углерод-карбидокремниевый композиционный материал благодаря наличию многонаправленой стержневой армирующей структуры, пироуглеродной и керамической составляющих матрицы и сплошного противоокислительного покрытия обладает высокой термоэрозионной и окислительной стойкостью, а также достаточными физико-механическими характеристиками, которые, как известно для данного класса материалов, повышаются с ростом температуры.
Источники информации
1. Патент РФ 2084425 з. 30.12.1992 г., опубл. 20.07.1997 г. С04В 35/56.
2. Патент РФ 2203218 з. 19.09.2000 г., опубл. 27.04.2003 г. С04В 35/52.
3. Патент РФ 2534878 з. 22.08.2013 г., опубл. 10.12.2014 г. С04В 35/52.
4. Патент РФ 2458890 з. 28.02.2011 г., опубл. 20.08.2012 г. С04В 35/577.
5. Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи, 2 изд., ч. 1., М., 1975.
Claims (2)
1. Углерод-карбидокремниевый композиционный материал на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса, отличающийся тем, что имеет структуру на основе многонаправленных армирующих стержневых каркасов n=3, 4 …, где n - число направлений армирования, из углеродного волокна и комплексную углерод-карбидокремниевую матрицу, получаемую из углеводородов в процессе их карбонизации при атмосферном давлении или изостатически под давлением, насыщения заготовок пироуглеродом, высокотемпературной обработки, предварительного силицирования и повторного силицирования после мехобработки, с целью образования на поверхности сплошного противоокислительного покрытия.
2. Углерод-карбидокремниевый композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что силицирование, предварительное и повторное, углерод-углеродной заготовки объемно-армированной структуры может проводиться любым известным способом при плотности заготовок под силицирование в пределах от 1,60 до 1,95 г/см3 в зависимости от конечного использования материала.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015140597A RU2626501C2 (ru) | 2015-09-24 | 2015-09-24 | Углерод-карбидокремниевый композиционный материал на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015140597A RU2626501C2 (ru) | 2015-09-24 | 2015-09-24 | Углерод-карбидокремниевый композиционный материал на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015140597A RU2015140597A (ru) | 2017-03-27 |
| RU2626501C2 true RU2626501C2 (ru) | 2017-07-28 |
Family
ID=58454799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015140597A RU2626501C2 (ru) | 2015-09-24 | 2015-09-24 | Углерод-карбидокремниевый композиционный материал на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2626501C2 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741981C1 (ru) * | 2020-04-23 | 2021-02-01 | Публичное акционерное общество «Авиационная корпорация «Рубин» | Способ получения основы для изготовления фрикционного композиционного углерод-карбидокремниевого материала. |
| RU2780174C1 (ru) * | 2021-07-02 | 2022-09-20 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" | Способ изготовления двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя со смешанной углерод-карбидной матрицей |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0985647B1 (en) * | 1998-09-08 | 2005-06-15 | Ngk Insulators, Ltd. | A member for brakes |
| US20050244581A1 (en) * | 2004-05-03 | 2005-11-03 | Jacques Thebault | Method of manufacturing a part out of impervious thermostructural composite material |
| RU2351572C2 (ru) * | 2006-11-08 | 2009-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" | Способ изготовления изделий из углеродкерамического композиционного материала |
| RU2458890C1 (ru) * | 2011-02-28 | 2012-08-20 | Вячеслав Максимович Бушуев | Способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала |
| RU2498962C2 (ru) * | 2011-07-06 | 2013-11-20 | Открытое Акционерное Общество "Государственный Ракетный Центр Имени Академика В.П. Макеева" | Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала |
-
2015
- 2015-09-24 RU RU2015140597A patent/RU2626501C2/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0985647B1 (en) * | 1998-09-08 | 2005-06-15 | Ngk Insulators, Ltd. | A member for brakes |
| US20050244581A1 (en) * | 2004-05-03 | 2005-11-03 | Jacques Thebault | Method of manufacturing a part out of impervious thermostructural composite material |
| RU2351572C2 (ru) * | 2006-11-08 | 2009-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" | Способ изготовления изделий из углеродкерамического композиционного материала |
| RU2458890C1 (ru) * | 2011-02-28 | 2012-08-20 | Вячеслав Максимович Бушуев | Способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала |
| RU2498962C2 (ru) * | 2011-07-06 | 2013-11-20 | Открытое Акционерное Общество "Государственный Ракетный Центр Имени Академика В.П. Макеева" | Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741981C1 (ru) * | 2020-04-23 | 2021-02-01 | Публичное акционерное общество «Авиационная корпорация «Рубин» | Способ получения основы для изготовления фрикционного композиционного углерод-карбидокремниевого материала. |
| RU2780174C1 (ru) * | 2021-07-02 | 2022-09-20 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" | Способ изготовления двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя со смешанной углерод-карбидной матрицей |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015140597A (ru) | 2017-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2084425C1 (ru) | Способ получения изделий из углерод-карбидокремниевого композиционного материала и углерод-карбидокремниевый композиционный материал | |
| CN106977217B (zh) | 一种高强高韧性碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法 | |
| RU2458890C1 (ru) | Способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала | |
| CN112341235B (zh) | 超高温自愈合陶瓷基复合材料的多相耦合快速致密化方法 | |
| US5616175A (en) | 3-D carbon-carbon composites for crystal pulling furnace hardware | |
| KR100458023B1 (ko) | 섬유복합재료 및 그 제조방법 | |
| JP4517334B2 (ja) | 複合材料及びその製造方法 | |
| RU2626501C2 (ru) | Углерод-карбидокремниевый композиционный материал на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса | |
| KR101122696B1 (ko) | 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법 | |
| US6261692B1 (en) | Carbon-carbon composites containing ceramic power and method for preparing the same | |
| Kim et al. | Nicalon-fibre-reinforced silicon-carbide composites via polymer solution infiltration and chemical vapour infiltration | |
| Kumar et al. | C/SiC composites for propulsion application | |
| RU2386603C2 (ru) | Теплозащитный эрозионно стойкий углерод-углеродный композиционный материал и способ его получения | |
| US20100078839A1 (en) | Pitch densification of carbon fiber preforms | |
| RU2573495C1 (ru) | Способ изготовления изделий из керамоматричного композиционного материала | |
| RU2559248C1 (ru) | Способ изготовления герметичных изделий из углерод-карбидокремниевого композиционного материала | |
| KR102258338B1 (ko) | 탄소 복합재의 제조방법 | |
| RU2534878C1 (ru) | Способ получения углеродного материала многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна | |
| RU2684538C1 (ru) | Углеродкерамический волокнисто-армированный композиционный материал и способ его получения | |
| Oh et al. | Effects of pressure on the pore formation of carbon/carbon composites during carbonization | |
| Pramono et al. | Physical and mechanical properties of carbon-carbon composite based coconut shell waste | |
| RU2422358C2 (ru) | Способ получения углерод-углеродного композиционного материала | |
| JP2007217256A (ja) | Ａｌ含浸３次元Ｃ／Ｃコンポジット及びその製造方法 | |
| RU2641748C2 (ru) | Герметичное изделие из высокотемпературного композиционного материала, армированного длинномерными волокнами, и способ его изготовления | |
| RU2552545C2 (ru) | Способ изготовления герметичных изделий из термостойкого композиционного материала |