RU2779626C1 - Composite material based on a framework of a volumetric structure and dispersed-hardened nano- and/or ultrafine particles of refractory compounds of a carbon or carbon-ceramic matrix and a method for its preparation - Google Patents
Composite material based on a framework of a volumetric structure and dispersed-hardened nano- and/or ultrafine particles of refractory compounds of a carbon or carbon-ceramic matrix and a method for its preparation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2779626C1 RU2779626C1 RU2021114727A RU2021114727A RU2779626C1 RU 2779626 C1 RU2779626 C1 RU 2779626C1 RU 2021114727 A RU2021114727 A RU 2021114727A RU 2021114727 A RU2021114727 A RU 2021114727A RU 2779626 C1 RU2779626 C1 RU 2779626C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- rods
- nano
- ultrafine particles
- fibers
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 68
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 68
- 239000011882 ultra-fine particle Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title claims abstract description 19
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 42
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 27
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 27
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 23
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 18
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims description 18
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 claims description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 210000002356 Skeleton Anatomy 0.000 claims description 5
- 238000005296 abrasive Methods 0.000 abstract description 15
- 230000001590 oxidative Effects 0.000 abstract description 12
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 9
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 206010019345 Heat stroke Diseases 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 21
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 5
- TXKRDMUDKYVBLB-UHFFFAOYSA-N methane;titanium Chemical compound C.[Ti] TXKRDMUDKYVBLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N iso-propanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003628 erosive Effects 0.000 description 3
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 3
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- 229910007946 ZrB Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical class C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 1
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged Effects 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 239000011215 ultra-high-temperature ceramic Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к абразиво- и окислительностойким материалам, предназначенным для эксплуатации в условиях высоких температур теплового удара, окислительной среды и абразивного воздействия.The invention relates to abrasive and oxidation-resistant materials intended for operation under conditions of high temperatures of thermal shock, oxidizing environment and abrasive action.
Известно большое количество керамических материалов, обладающих достаточно высокой окислительной стойкостью, а также стойкостью к абразивному воздействию, например [Xinghong Zhang, Ping Hu, Jiecai Han, Songhe Meng. Ablation behavior of ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramics under simulated atmospheric re-entry conditions (Абляционное поведение УВТК состава ZrB2-SiC в смоделированных условиях возвращения в плотные слои атмосферы) // Composites Science and Technology, 68(2008), p. 1718-1726] или [CN 10189/480, 2010].A large number of ceramic materials are known that have a sufficiently high oxidation resistance, as well as resistance to abrasion, for example [Xinghong Zhang, Ping Hu, Jiecai Han, Songhe Meng. Ablation behavior of ZrB 2 -SiC ultra-high temperature ceramics under simulated atmospheric re-entry conditions // Composites Science and Technology, 68(2008), p . 1718-1726] or [CN 10189/480, 2010].
Их недостатком является недостаточно высокая стойкость к тепловому удару, низкая вязкость разрушения и/или сложность изготовления из них сколько-нибудь габаритных или сложнопрофильных изделий.Their disadvantage is insufficiently high resistance to thermal shock, low fracture toughness and/or the difficulty of manufacturing from them any overall or complex-shaped products.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является композиционный материал на основе каркаса объемной структуры и дисперсно-упрочненной нано- и/или ультрадисперсными частицами тугоплавких соединений углеродной или углерод-керамической матрицы [Qinggang Li et al. Fabrication and properties of 3d-Cf/ZrC-SiC composites by the vapor silicon infiltration process (Изготовление и свойства трехмерных Cf/ZrC-SiC-композитов, произведенных методом инфильтрации паров кремния) // Ceramic International, 2013, №39, p. 4723-4727]. В соответствии с ним материал содержит каркас объемной структуры на основе только длинномерных углеродных волокон или стержней, а нано- и/или ультрадисперсные частицы расположены в ячейках, образованных углеродными волокнами или стержнями трех направлений. Причем указанные частицы введены в каркас путем пропитки суспензией этих частиц.Closest to the claimed technical essence and the achieved effect is a composite material based on a framework of a three-dimensional structure and dispersion-hardened nano- and/or ultrafine particles of refractory compounds of a carbon or carbon-ceramic matrix [Qinggang Li et al. Fabrication and properties of 3d-Cf/ZrC-SiC composites by the vapor silicon infiltration process // Ceramic International, 2013, no. 39, p. 4723-4727]. In accordance with it, the material contains a skeleton of a three-dimensional structure based only on long-length carbon fibers or rods, and nano- and/or ultrafine particles are located in cells formed by carbon fibers or rods in three directions. Moreover, these particles are introduced into the frame by impregnation with a suspension of these particles.
Материал благодаря армированию углеродными волокнами обладает высокой стойкостью к тепловому удару.The material, thanks to the carbon fiber reinforcement, is highly resistant to thermal shock.
Недостатком материала является его сравнительно низкий срок службы в сравнительно толстостенных изделиях, предназначенных для длительной работы под воздействием абразивной и окислительной среды из-за его недостаточной эрозионной и окислительной стойкости. Причиной этого является сосредоточение нано- и/или ультрадисперсных частиц в поверхностных слоях материала из-за введения их в поры каркаса путем пропитки суспензией указанных частиц.The disadvantage of the material is its relatively low service life in relatively thick-walled products designed for long-term operation under the influence of an abrasive and oxidizing environment due to its insufficient erosion and oxidative resistance. The reason for this is the concentration of nano- and/or ultrafine particles in the surface layers of the material due to their introduction into the pores of the frame by impregnation with a suspension of these particles.
Обусловлено это тем, что по мере пропитки каркаса суспензией указанных частиц происходит закупорка ими транспортных пор со стороны подачи суспензии, следствием чего является уменьшение содержания частиц по мере продвижения их вглубь каркаса.This is due to the fact that as the frame is impregnated with a suspension of these particles, the transport pores from the side of the suspension supply are blocked by them, resulting in a decrease in the content of particles as they move deeper into the frame.
Известен способ получения КМ, включающий формирование каркаса объемной структуры из углеродных волокон, заполнение его пор нано-и/или ультрадисперсными частицами тугоплавких металлов и/или соединений и последующее формирование в порах полученной заготовки углеродной или углерод-керамической матрицы. Способ усматривается из примеров, приведенных в [пат. RU 2415109, 2011], а также из материалов статьи [S.F. Tang, J.Y. Deng. Mater. Sci. Eng. A465 (2007), 1-7]. В соответствии с ним каркас выполнен 2d-структуры, а заполнение его пор нано- и/или ультрадисперсными частицами тугоплавких соединений производят путем пропитки углеродных волокон суспензией указанных частиц непосредственно при формировании каркаса, которое производится методом намотки волокон на формообразующую оправку.A known method for producing CM, including the formation of a framework of a three-dimensional structure of carbon fibers, filling its pores with nano-and/or ultrafine particles of refractory metals and/or compounds, and subsequent formation of a carbon or carbon-ceramic matrix in the pores of the obtained workpiece. The method is seen from the examples given in [US Pat. RU 2415109, 2011], as well as from the materials of the article [S.F. Tang, J.Y. Deng. mater. sci. Eng. A465 (2007), 1-7]. In accordance with it, the frame is made of a 2d structure, and the filling of its pores with nano- and/or ultrafine particles of refractory compounds is carried out by impregnating carbon fibers with a suspension of these particles directly during the formation of the frame, which is carried out by winding the fibers on a shaping mandrel.
Недостатком материала является низкий срок службы получаемого этим способом материала в абразивных средах из-за его склонности к расслоению.The disadvantage of the material is the low service life of the material obtained by this method in abrasive environments due to its tendency to delaminate.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения композиционного материала, включающий формирование каркаса объемной структуры из углеродных волокон, заполнение его пор нано- и/или ультрадисперсными частицами тугоплавких металлов и/или соединений и последующее формирование в порах полученной заготовки углеродной или углерод-керамической матрицы [Qinggang Li et al. Fabrication and properties of 3d-Cf/ZrC-SiC composites by the vapor silicon infiltration process (Изготовление и свойства трехмерных Cf/ZrC-SiC-композитов, произведенных методом инфильтрации паров кремния) // Ceramic International, 2013, №39, p. 4723-4727]. В соответствии с ним каркас формируют 3d-структуры из углеродных волокон или стержней. Заполнение пор каркаса нано- и/или ультрадисперсными частицами производят после его формирования. Осуществляют это заполнение путем пропитки суспензией указанных частиц.Closest to the claimed technical essence and the achieved effect is a method for producing a composite material, including the formation of a skeleton of a three-dimensional structure of carbon fibers, filling its pores with nano- and / or ultrafine particles of refractory metals and / or compounds, and subsequent formation of carbon or carbon-ceramic matrix [Qinggang Li et al. Fabrication and properties of 3d-Cf/ZrC-SiC composites by the vapor silicon infiltration process // Ceramic International, 2013, no. 39, p. 4723-4727]. In accordance with it, the frame is formed by 3d structures of carbon fibers or rods. The pores of the framework are filled with nano- and/or ultrafine particles after its formation. Carry out this filling by impregnation with a suspension of these particles.
Способ позволяет повысить абразивную стойкость материала, получаемого указанным способом, при использовании его в тонкостенных изделиях.The method allows to increase the abrasive resistance of the material obtained by this method, when used in thin-walled products.
Недостатком способа является сравнительно низкий срок службы получаемого указанным способом материала в сравнительно толстостенных изделиях, предназначенных для длительной работы под воздействием абразивной и окислительной среды, из-за его недостаточно высокой эрозионной и окислительной стойкости, вызванной невозможностью введения частиц тугоплавких металлов и/или соединений на большую толщину. Обусловлено это тем, что по мере пропитки каркаса суспензией указанных частиц происходит закупорка ими транспортных пор со стороны подачи суспензии, следствием чего является уменьшение содержания частиц по мере продвижения их вглубь каркаса.The disadvantage of this method is the relatively low service life of the material obtained by this method in relatively thick-walled products intended for long-term operation under the influence of an abrasive and oxidizing environment, due to its insufficiently high erosion and oxidative resistance, caused by the impossibility of introducing particles of refractory metals and / or compounds to a large thickness. This is due to the fact that as the frame is impregnated with a suspension of these particles, the transport pores from the side of the suspension supply are blocked by them, resulting in a decrease in the content of particles as they move deeper into the frame.
Задачей заявляемых изобретений является повышение срока службы композиционного материала сравнительно толстостенных изделий, предназначенных для длительной работы под воздействием абразивной и окислительной среды (или кратковременно, но в особо сложных условиях эксплуатации).The objective of the claimed inventions is to increase the service life of the composite material of relatively thick-walled products designed for long-term operation under the influence of an abrasive and oxidizing environment (or short-term, but in particularly difficult operating conditions).
Поставленная задача решается за счет того, что в композиционном материале на основе каркаса объемной структуры из углеродных стержней горизонтального и вертикального направлений и дисперсно-упрочненной нано- и/или ультрадисперсными частицами тугоплавких соединений углеродной или углерод-керамической матрицы, в соответствии с заявляемым техническим решением каркас выполнен гибридной структуры, в котором между рядами углеродных стержней горизонтального направления и в ячейках, образованных углеродными стержнями горизонтального и вертикального направлений, расположен нетканый углеродный волокнистый материал из фрагментированных по длине и толщине волокон, а нано- и/или ультрадисперсные частицы расположены между волокнами нетканого материала и на его поверхности и могут быть расположены на поверхности углеродных стержней.The problem is solved due to the fact that in a composite material based on a frame of a three-dimensional structure of carbon rods of horizontal and vertical directions and dispersion-strengthened by nano- and / or ultrafine particles of refractory compounds of a carbon or carbon-ceramic matrix, in accordance with the claimed technical solution, the frame made of a hybrid structure, in which between the rows of carbon rods of the horizontal direction and in the cells formed by the carbon rods of the horizontal and vertical directions, there is a non-woven carbon fiber material made of fibers fragmented along the length and thickness, and nano- and / or ultrafine particles are located between the fibers of the non-woven material and on its surface and can be located on the surface of carbon rods.
То, что в композиционном материале армирующий его каркас выполнен гибридной структуры, в котором между рядами углеродных стержней горизонтального направления и в ячейках, образованных углеродными стержнями горизонтального и вертикального направлений, расположен нетканый углеродный волокнистый материал из фрагментированных по длине и толщине волокон, придает материалу мелкопористую структуру, для которой характерно отсутствие крупных дефектов в виде крупных пор и трещин. Кроме того, создаются предпосылки для более равномерного распределения в композиционном материале частиц дисперсного наполнителя.The fact that in the composite material its reinforcing frame is made of a hybrid structure, in which between the rows of carbon rods of the horizontal direction and in the cells formed by the carbon rods of the horizontal and vertical directions, there is a non-woven carbon fiber material made of fibers fragmented along the length and thickness, gives the material a finely porous structure , which is characterized by the absence of large defects in the form of large pores and cracks. In addition, prerequisites are created for a more uniform distribution of particles of a dispersed filler in the composite material.
Еще одним эффектом от наличия в композиционном материале тонких углеродных волокон (в виде фрагментированных по длине и толщине волокон) является проявление так называемого «ридж-эффекта», приводящего к спеканию образующихся при окислении углерод-керамической матрицы оксидных слоев [Шабалин И.Л. Перспективы нанотехнологии и дизайна материалов на основе тугоплавких соединений // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, 2015, №4, с. 73-81]. Расположение нано- и/или ультрадисперсных частиц между волокнами нетканого материала и на его поверхности обеспечивает, с одной стороны, равномерное дисперсное упрочнение углеродной или углерод-керамической матрицы частицами тугоплавких соединений, с другой стороны, при окислении углерод-керамической матрицы, армированной тонкими углеродными волокнами, проявляется, как сказано выше, «ридж-эффект».Another effect of the presence of thin carbon fibers in the composite material (in the form of fibers fragmented along the length and thickness) is the manifestation of the so-called “ridge effect”, which leads to sintering of the oxide layers formed during the oxidation of the carbon-ceramic matrix [Shabalin I.L. Prospects for nanotechnology and design of materials based on refractory compounds. Izvestiya vuzov. Powder metallurgy and functional coatings, 2015, no. 4, p. 73-81]. The location of nano- and/or ultrafine particles between the fibers of the non-woven material and on its surface provides, on the one hand, uniform dispersion strengthening of the carbon or carbon-ceramic matrix by particles of refractory compounds, on the other hand, during the oxidation of the carbon-ceramic matrix reinforced with thin carbon fibers , manifests itself, as mentioned above, the "ridge effect".
Возможное расположение нано- и/или ультрадисперсных частиц на поверхности углеродных стержней обеспечивает их наиболее эффективную защиту как от абразивного, так и окислительного воздействия.The possible arrangement of nano- and/or ultrafine particles on the surface of the carbon rods provides them with the most effective protection from both abrasive and oxidative effects.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать композиционному материалу сравнительно толстостенных изделий более высокую абразивную и окислительную стойкость, а также более равномерный износ и окисление.In a new set of essential features, the object of the invention has a new property: the ability to give the composite material of relatively thick-walled products a higher abrasive and oxidation resistance, as well as more uniform wear and oxidation.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышается срок службы композиционного материала сравнительно толстостенных изделий предназначенных для длительной работы под воздействием абразивной и окислительной среды (или кратковременной работы, но в особо сложных условиях эксплуатации).Thanks to the new property, the task is solved, namely: the service life of the composite material of relatively thick-walled products intended for long-term operation under the influence of an abrasive and oxidizing environment (or short-term operation, but in especially difficult operating conditions) is increased.
Поставленная задача выполняется также за счет того, что в способе получения композиционного материала, включающем формирование каркаса объемной структуры из углеродных волокон, заполнение его пор нано- и/или ультрадисперсными частицами тугоплавких металлов и/или соединений и последующее формирование в порах полученной заготовки углеродной или углерод-керамической матрицы, в соответствии с заявляемым техническим решением каркас формируют гибридной структуры, в котором между рядами углеродных стержней горизонтального направления и в ячейках, образованных углеродными стержнями горизонтального и вертикального направлений, расположен нетканый углеродный волокнистый материал из фрагментированных по длине и толщине волокон, а заполнение пор каркаса нано- и/или ультрадисперсными частицами производят непосредственно в ходе формирования каркаса, для чего ряды углеродных стержней горизонтального направления со сформированным на их поверхности покрытием из нано- и/или ультрадисперсных частиц - или без такового - выкладывают между металлическими стержнями вертикального направления, чередуя их выкладку с нанизыванием на металлические стержни вертикального направления заготовок нетканого углеродного волокнистого материала, предварительно пропитанных суспензией нано- и/или ультрадисперсных частиц; после набора пакета требуемой высоты металлические стержни заменяют на углеродные с покрытием из нано- и/или ультрадисперсных частиц или без такового. Далее каркас подпрессовывают перфорированной плитой, в которой выполнены перфорации для прохода стержней вертикального направления, после чего металлические стержни заменяют на углеродные с покрытием из нано- и/или ультрадисперсных частиц или без такового.The task is also fulfilled due to the fact that in the method of obtaining a composite material, including the formation of a framework of a three-dimensional structure from carbon fibers, filling its pores with nano- and/or ultrafine particles of refractory metals and/or compounds, and subsequent formation of carbon or carbon in the pores of the obtained workpiece -ceramic matrix, in accordance with the claimed technical solution, the frame is formed of a hybrid structure, in which between the rows of carbon rods of the horizontal direction and in the cells formed by the carbon rods of the horizontal and vertical directions, there is a non-woven carbon fiber material made of fibers fragmented along the length and thickness, and the filling pores of the frame with nano- and/or ultrafine particles are produced directly during the formation of the frame, for which rows of horizontal carbon rods with a coating of nano- and/or ultrafine particles formed on their surface - or without it, they are laid out between the metal rods of the vertical direction, alternating their laying out with stringing blanks of non-woven carbon fiber material pre-impregnated with a suspension of nano- and / or ultrafine particles on the metal rods of the vertical direction; after a package of the required height is set, the metal rods are replaced with carbon rods coated with nano- and/or ultrafine particles or without it. Next, the frame is pre-pressed with a perforated plate, in which perforations are made for the passage of vertical rods, after which the metal rods are replaced with carbon rods coated with nano- and/or ultrafine particles or without it.
Что обеспечивает признак «каркас формируют гибридной структуры, в котором между рядами углеродных стержней горизонтального направления и в ячейках, образованных углеродными стержнями горизонтального и вертикального направлений, расположен нетканый углеродный волокнистый материал из фрагментированных по длине и толщине волокон», рассмотрено выше.What provides the sign "a frame is formed of a hybrid structure, in which between the rows of carbon rods of the horizontal direction and in the cells formed by the carbon rods of the horizontal and vertical directions, there is a non-woven carbon fibrous material made of fibers fragmented along the length and thickness", discussed above.
То, что заполнение пор каркаса нано- и/или ультрадисперсными частицами производят непосредственно в ходе формирования каркаса, является условием для равномерного распределения частиц в объеме материала сравнительно толстостенных изделий. Указанное условие реализуется на практике за счет наличия ниже рассмотренных признаков.The fact that the pores of the framework are filled with nano- and/or ultradispersed particles directly during the formation of the framework is a condition for the uniform distribution of particles in the bulk of the material of relatively thick-walled products. This condition is implemented in practice due to the presence of the features discussed below.
Так, признак «чередование выкладки рядов углеродных стержней горизонтального направления (выкладываемых между металлическими стержнями вертикального направления) с нанизыванием на металлические стержни предварительно пропитанных суспензией нано- и/или ультрадисперсных частиц заготовок нетканого волокнистого материала из фрагментированных по длине и толщине волокон», является основным в части обеспечения возможности заполнения указанными частицами пор каркаса непосредственно в ходе его формирования.Thus, the feature "alternating the laying out of rows of carbon rods of the horizontal direction (layed out between the metal rods of the vertical direction) with stringing on the metal rods pre-impregnated with a suspension of nano- and / or ultrafine particles of blanks of non-woven fibrous material from fibers fragmented along the length and thickness" is the main one in parts of ensuring the possibility of filling the pores of the framework with the indicated particles directly during its formation.
На это же направлена операция формирования на углеродных стержнях горизонтального и вертикального направлений покрытия из нано- и/или ультрадисперсных частиц, если таковая применяется.The operation of forming a coating of nano- and/or ultrafine particles on carbon rods in the horizontal and vertical directions, if applicable, is also aimed at this.
Признак «после набора пакета требуемой высоты каркас подпрессовывают перфорированной плитой, в которой выполнены перфорации для прохода стержней вертикального направления», после чего металлические стержни заменяют на углеродные с покрытием из нано- и/или ультрадисперсных частиц или без такового, обеспечивает расположение нетканого волокнистого материала не только между рядами стержней горизонтального направления, но и внедрение его в ячейки, образованные углеродными стержнями горизонтального и вертикального направлений.The sign “after the package of the required height is set, the frame is pressed with a perforated plate, in which perforations are made for the passage of rods of the vertical direction”, after which the metal rods are replaced with carbon ones coated with nano- and / or ultrafine particles or without it, ensures the location of the non-woven fibrous material not only between the rows of rods of the horizontal direction, but also its introduction into the cells formed by the carbon rods of the horizontal and vertical directions.
Осуществление нанизывания заготовок нетканого материала на металлические стержни, а не на углеродные, исключает их поломку при осуществлении этой операции, а также создает условия для замены металлических стержней на углеродные.The implementation of stringing blanks of non-woven material on metal rods, and not on carbon ones, eliminates their breakage during this operation, and also creates conditions for replacing metal rods with carbon ones.
Подпрессовывание набранного пакета перфорированной плитой, а затем замена металлических стержней на углеродные обеспечивает завершение операции формирования каркаса гибридной структуры, совмещенной с заполнением его пор нано- и/или ультра дисперсными частицами тугоплавких металлов или соединений.Pressing the stacked package with a perforated plate, and then replacing the metal rods with carbon ones, completes the operation of forming the framework of the hybrid structure, combined with filling its pores with nano- and/or ultra-dispersed particles of refractory metals or compounds.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать композиционному материалу мелкопористую структуру и равномерно ввести в него нано- и/или ультрадисперсные частицы тугоплавких металлов и/или соединений, в том числе в материал сравнительно толстостенных изделий, и тем самым повысить его эрозионную и окислительную стойкость и обеспечить его более равномерный износ и окисление при длительном воздействии абразивной и окислительной среды.In a new set of essential features, the object of the invention acquires a new property: the ability to impart a finely porous structure to a composite material and uniformly introduce nano- and/or ultrafine particles of refractory metals and/or compounds into it, including into the material of relatively thick-walled products, and thereby increase its erosion and oxidation resistance and ensure its more uniform wear and oxidation under prolonged exposure to an abrasive and oxidizing environment.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: обеспечивается повышение срока службы получаемого заявляемым способом композиционного материала сравнительно толстостенных изделий, предназначенных для длительной работы под воздействием абразивной и окислительной среды (или кратковременной работы, но в особо сложных условиях эксплуатации).Thanks to the new property, the task is solved, namely: it provides an increase in the service life of the composite material obtained by the claimed method of relatively thick-walled products designed for long-term operation under the influence of an abrasive and oxidizing environment (or short-term operation, but in particularly difficult operating conditions).
Конструктивное выполнение заявляемого материала можно представить из технологической схемы формирования каркаса (смотри фиг. 1).The constructive implementation of the claimed material can be represented from the technological scheme of the frame formation (see Fig. 1).
Заявляемый композиционный материал выполнен на основе каркаса объемной структуры из углеродных стержней горизонтального и вертикального направлений и дисперсно-упрочненной нано- и/или ультрадисперсными частицами тугоплавких соединений углеродной или углерод-керамической матрицы. Объемная структура каркаса выполнена гибридной. В каркасе гибридной структуры между рядами углеродных стержней горизонтального направления 1 и в ячейках, образованных углеродными стержнями горизонтального 1 и вертикального 2 направлений, расположен нетканый углеродный волокнистый материал 3 из фрагментированных по длине и толщине волокон. Нано- и/или ультрадисперсные частицы в композиционном материале расположены между волокнами нетканого материала 3 и на его поверхности. Указанные частицы могут быть расположены также на поверхности углеродных стержней 1, 2.The inventive composite material is made on the basis of a framework of a three-dimensional structure of carbon rods of horizontal and vertical directions and a dispersion-hardened nano- and/or ultrafine particles of refractory compounds of a carbon or carbon-ceramic matrix. The bulk structure of the frame is made hybrid. In the frame of the hybrid structure between the rows of carbon rods of the
Заявляемый способ получения заявляемого композиционного материала включает формирование каркаса объемной структуры из углеродных волокон, заполнение его пор нано- и/или ультрадисперсными частицами тугоплавких металлов и/или соединений и последующее формирование в порах полученной заготовки углеродной или углерод-керамической матрицы. При этом каркас формируют гибридной структуры, в которой между рядами углеродных стержней горизонтального направления 1 и в ячейках, образованных углеродными стержнями горизонтального 1 и вертикального 2 направлений, расположен нетканый углеродный волокнистый материал 3 из фрагментированных по длине и толщине углеродных волокон. Заполнение же пор каркаса нано- и/или ультрадисперсными частицами производят непосредственно в ходе формирования каркаса. Для этого ряды углеродных стержней горизонтального направления 1 выкладывают между металлическими стержнями вертикального направления. Указанную выкладку чередуют с нанизыванием на металлические стержни вертикального направления заготовок нетканого углеродного волокнистого материала 3, предварительно пропитанных суспензией нано- и/или ультрадисперсных частиц тугоплавких металлов и/или соединений. После набора пакета требуемой высоты каркас подпрессовывают перфорированной плитой, в которой выполнены перфорации для прохода стержней вертикального направления 2. Затем металлические стержни заменяют на углеродные. При этом на поверхности углеродных стержней горизонтального 1 и вертикального 2 направлений может быть сформировано покрытие из нано- и/или ультрадисперсных частиц тугоплавких металлов и/или соединений, а может и не быть сформировано.The claimed method for producing the claimed composite material includes forming a skeleton of a three-dimensional structure from carbon fibers, filling its pores with nano- and/or ultrafine particles of refractory metals and/or compounds, and then forming a carbon or carbon-ceramic matrix in the pores of the obtained workpiece. At the same time, the frame is formed of a hybrid structure, in which between the rows of carbon rods of the
Заявляемый способ получения заявляемого материала поясняется конкретными примерами. Кроме того, он поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена технологическая схема формирования каркаса гибридной структуры, на фиг. 2, 3, 4 - снимки структуры материала с дисперсно-упрочненной нанодисперсными частицами карбида титана углеродной матрицей, полученные в результате исследования материала методом рентгеновской томографии, на фиг. 7 - поровая структура материала с углеродной матрицей, дисперсно-упрочненной ультрадисперсными частицами карбида титана. Для сравнения с заявляемым материалом приведены снимки структуры углерод - углеродного композиционного материала (УУКМ) на основе каркаса стержневой структуры и пироуглеродной матрицы (фиг. 5, 6), полученные методом рентгеновской томографии.The claimed method of obtaining the claimed material is illustrated by specific examples. In addition, it is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a technological scheme for the formation of a skeleton of a hybrid structure, in Fig. 2, 3, 4 - pictures of the structure of a material with a carbon matrix dispersion-strengthened by nanodispersed particles of titanium carbide, obtained as a result of studying the material by X-ray tomography, in Fig. 7 - porous structure of a material with a carbon matrix, dispersion-hardened with ultrafine particles of titanium carbide. For comparison with the claimed material, images of the structure of a carbon - carbon composite material (CCCM) based on a frame of a rod structure and a pyrocarbon matrix (Fig. 5, 6) obtained by X-ray tomography are shown.
Кроме того, для сравнения приведена еще поровая структура УУКМ (фиг. 8).In addition, the pore structure of CCCM is also shown for comparison (Fig. 8).
Во всех примерах получали композиционный материал в виде заготовки в форме прямоугольной призмы размерами 150×150×150 мм.In all examples, a composite material was obtained in the form of a blank in the form of a rectangular prism with dimensions of 150×150×150 mm.
При этом вначале изготавливали преформу (высокопористую заготовку) на основе каркаса гибридной структуры, а затем формировали в ее порах углеродную (Пример 1) или углерод-керамическую матрицу (Примеры 2 и 3).At the same time, a preform (highly porous workpiece) was first made on the basis of the framework of the hybrid structure, and then a carbon (Example 1) or carbon-ceramic matrix (Examples 2 and 3) was formed in its pores.
Пример 1Example 1
Изготовление преформы произвели на специальном приспособлении путем набора на вертикальных металлических стержнях пакета требуемой высоты, состоящего из чередующихся слоев заготовок нетканого материала толщиной 2-3 мм и горизонтальных рядов углеродных стержней диаметром 1 мм. Причем приспособление обеспечивало получение схемы армирования, в которой стержни образовывали элементарные ячейки размером 3×3 мм.The preform was made on a special device by stacking a package of the required height on vertical metal rods, consisting of alternating layers of
При формировании пакета углеродные стержни горизонтального направления располагали под углом 90°.When forming the package, carbon rods of the horizontal direction were placed at an angle of 90°.
Перед выкладкой на углеродных стержнях горизонтального направления формировали покрытие. Для получения углеродных стержней с покрытием углеродную нить марки УКН-5000 ГОСТ 28008-88 протягивали через емкость с пропиточной суспензией на органическом растворителе следующего состава: в расчете на 1 л изопропилового спирта 450 г порошка карбида титана с размером частиц ~ 180 нм. Выходящую из пропиточной емкости нить протягивали через камеру сушки. Затем подсушенную нить пропускали через пропиточную емкость с 8%-ным раствором поливинилового спирта в воде, после чего протягивали через фильеру, сушили и нарезали стержни требуемой длины.Before laying out, a coating was formed on the carbon rods of the horizontal direction. To obtain coated carbon rods, a UKN-5000 grade (GOST 28008-88) carbon thread was pulled through a container with an impregnating suspension in an organic solvent of the following composition: 450 g of titanium carbide powder with a particle size of ~180 nm per 1 liter of isopropyl alcohol. The thread leaving the impregnating vessel was pulled through the drying chamber. Then the dried thread was passed through an impregnating container with an 8% solution of polyvinyl alcohol in water, after which it was pulled through a spinneret, dried, and rods of the required length were cut.
Заготовки из нетканого материала (в качестве которого использовали иглопробивной углеродный волокнистый материал из фрагментированных по длине и толщине волокон, полученный в результате высокотемпературной обработки при температуре 1950°С иглопробивного волокнистого материала на основе волокон из полиакрилонитрила) перед нанизыванием на металлические стержни пропитывали суспензией состава: на 1 л изопропилового спирта 300 г порошка карбида титана с размером частиц ~ 180 нм.Preforms made of non-woven material (which was used as a needle-punched carbon fiber material from fibers fragmented along the length and thickness, obtained as a result of high-temperature processing at a temperature of 1950°C of a needle-punched fibrous material based on polyacrylonitrile fibers) were impregnated with a suspension of the composition before stringing on metal rods: 1 l isopropyl alcohol 300 g titanium carbide powder with a particle size of ~ 180 nm.
При наборе пакета периодически производили его поджатие.When typing the package, it was periodically compressed.
После набора пакета требуемой высоты произвели окончательное его поджатие перфорированной плитой, в результате чего нетканый волокнистый материал, пропитанный суспензией частиц карбида титана, заполнил ячейки, образованные стержнями горизонтального и вертикального направлений, а также в зазорах между рядами стержней горизонтального направления, которые располагались друг под другом. После этого металлические стержни вертикального направления заменили на углеродные стержни диаметром 1 мм, которые были изготовлены аналогично углеродным стержням горизонтального направления.After the package was set to the required height, it was finally compressed with a perforated plate, as a result of which the non-woven fibrous material impregnated with a suspension of titanium carbide particles filled the cells formed by the rods of the horizontal and vertical directions, as well as in the gaps between the rows of horizontal rods, which were located one below the other . After that, the metal rods of the vertical direction were replaced by carbon rods with a diameter of 1 mm, which were made similarly to the carbon rods of the horizontal direction.
Формирование углеродной матрицы в изготовленной преформе произвели путем насыщения пироуглеродом термоградиентным методом со скоростью перемещения радиальной зоны пиролиза 0,25 мм/ч с температурой в зоне 850°С с последующим нахождением зоны с температурой 980°C и ее протягиванием со скоростью 0,25 мм/ч.The formation of the carbon matrix in the manufactured preform was carried out by saturation with pyrocarbon by the thermogradient method with a speed of moving the radial pyrolysis zone of 0.25 mm/h with a temperature in the zone of 850°C, followed by finding a zone with a temperature of 980°C and pulling it at a speed of 0.25 mm/h h.
В качестве рабочего газа использовали сетевой газ с содержанием метана = 98%;As a working gas, network gas with a methane content of = 98% was used;
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2779626C1 true RU2779626C1 (en) | 2022-09-12 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117945775A (en) * | 2024-03-21 | 2024-04-30 | 西安源创航空科技有限公司 | C (C)fPreparation method of ZrC ceramic composite material |
| RU2819235C1 (en) * | 2023-12-19 | 2024-05-15 | Акционерное общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Method of making articles from carbon-silicon carbide composite material, including with thickness gradient properties |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69609140D1 (en) * | 1995-04-13 | 2000-08-10 | Snecma | METHOD FOR PRODUCING ONE-PIECE, COMPLEX COMPONENTS FROM COMPOSITE MATERIALS. |
| DE69529860T2 (en) * | 1994-05-17 | 2003-12-11 | Goodrich Corp., Charlotte | Fiber structures approaching the final shape and process for their production |
| US20040175553A1 (en) * | 2003-03-04 | 2004-09-09 | Eric Bouillon | Making a blank by reinforcing a fiber structure and/or bonding fiber structures together, and use in making composite material parts |
| RU2428395C2 (en) * | 2009-11-20 | 2011-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Вириал" | Nanostructured functional-gradient composite material and method of producing said material |
| RU2486163C2 (en) * | 2011-08-05 | 2013-06-27 | Вячеслав Максимович Бушуев | Method of making articles from ceramic-matrix composite material |
| RU2620810C1 (en) * | 2016-05-06 | 2017-05-29 | Открытое акционерное общество "Композит" | Method of manufacturing porous base scaffold of composite material |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69529860T2 (en) * | 1994-05-17 | 2003-12-11 | Goodrich Corp., Charlotte | Fiber structures approaching the final shape and process for their production |
| DE69609140D1 (en) * | 1995-04-13 | 2000-08-10 | Snecma | METHOD FOR PRODUCING ONE-PIECE, COMPLEX COMPONENTS FROM COMPOSITE MATERIALS. |
| US20040175553A1 (en) * | 2003-03-04 | 2004-09-09 | Eric Bouillon | Making a blank by reinforcing a fiber structure and/or bonding fiber structures together, and use in making composite material parts |
| RU2428395C2 (en) * | 2009-11-20 | 2011-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Вириал" | Nanostructured functional-gradient composite material and method of producing said material |
| RU2486163C2 (en) * | 2011-08-05 | 2013-06-27 | Вячеслав Максимович Бушуев | Method of making articles from ceramic-matrix composite material |
| RU2620810C1 (en) * | 2016-05-06 | 2017-05-29 | Открытое акционерное общество "Композит" | Method of manufacturing porous base scaffold of composite material |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2819235C1 (en) * | 2023-12-19 | 2024-05-15 | Акционерное общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Method of making articles from carbon-silicon carbide composite material, including with thickness gradient properties |
| CN117945775A (en) * | 2024-03-21 | 2024-04-30 | 西安源创航空科技有限公司 | C (C)fPreparation method of ZrC ceramic composite material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zoli et al. | Efficacy of a ZrB2–SiC matrix in protecting C fibres from oxidation in novel UHTCMC materials | |
| CN106977217B (en) | A kind of preparation method of high-strength and high-ductility silicon carbide fiber reinforced silicon carbide ceramic matric composite | |
| Xie et al. | Ablation behavior and mechanism of C/C–ZrC–SiC composites under an oxyacetylene torch at 3000° C | |
| Li et al. | Effects of porous C/C density on the densification behavior and ablation property of C/C–ZrC–SiC composites | |
| US20100209659A1 (en) | Carbon-carbon composite | |
| Kou et al. | Microstructure and flexural properties of C/C-Cu composites strengthened with in-situ grown carbon nanotubes | |
| CN112341235B (en) | Multiphase coupling rapid densification method for ultrahigh-temperature self-healing ceramic matrix composite | |
| JP2008525295A (en) | Method for producing a fiber preform for the production of a part comprising a carbon / carbon type composite material incorporating ceramic particles and the product obtained thereby | |
| JPWO2013035645A1 (en) | Inorganic fiber molded body and method for producing the same | |
| EP3124458A1 (en) | Improved uniformity of fiber spacing in cmc materials | |
| Xie et al. | Effects of precursor concentration on the microstructure and properties of ZrC modified C/C composites prepared by precursor infiltration and pyrolysis | |
| US6447893B2 (en) | Fibrous composite material and process for producing the same | |
| EP3124459A2 (en) | Improved uniformity of fiber spacing in cmc materials | |
| CN106966745A (en) | A kind of method that pressure sintering prepares thermostructural composite | |
| Li et al. | Fabrication and characterization of biomorphic cellular C/SiC–ZrC composite ceramics from wood | |
| RU2779626C1 (en) | Composite material based on a framework of a volumetric structure and dispersed-hardened nano- and/or ultrafine particles of refractory compounds of a carbon or carbon-ceramic matrix and a method for its preparation | |
| Puchas et al. | Near-net shape manufacture process for oxide fiber composites (OFC) | |
| CN114988901A (en) | Rapid preparation method of high-density SiC/SiC composite material | |
| JPH08226054A (en) | Production of carbon primary molding and carbon/carbon composite material | |
| US20210114945A1 (en) | Fiber reinforced composite and method of making | |
| US11364654B2 (en) | Indirect additive manufacturing process for producing SiC—B4C—Si composites | |
| JP2017014033A (en) | Reinforcing fiber material and manufacturing method thereof, and fiber reinforced ceramics composite | |
| Kaya et al. | Electrophoretic deposition infiltration of 2-D metal fibre-reinforced cordierite matrix composites of tubular shape | |
| CN108530096A (en) | A kind of preparation method of carbon-based braking automobile pair | |
| Binner et al. | Use of electrophoretic impregnation and vacuum bagging to impregnate SiC powder into SiC fiber preforms |