SE452311B - Kiselkarbidfiberforsterkt glaskomposit - Google Patents

Description

452 311 2 är en komposit med hög hållfasthet, hög brottseghet och oxida- tionsstabilitet vid förhöjd temperatur.

Föreliggande uppfinning avser en lösning på hållfasthets-, brottseghets- och oxidationsstabilitetsproblemen som förekommer i kompositer av känd typ, och innefattar kiselkarbidförstärkta glaskompositer med hög hállfasthet, brottseghet och oxidations- stabilitet, även vid förhöjd temperatur.

Den kiselkarbidfiberförstärkta glaskompositen enligt upp- finningen karaktäriseras av 30-70 volym-% kiselkarbidfibrer i en glashuvudmassa vald ur gruppen omfattande borsilikatglas, glas med hög kiseldioxidhalt samt aluminiumsilikatglas, varvid kompo- siten uppvisar en brottseghet exemplifierad av en kritisk spännings- intensitetsfaktor över ca. 165 X 105 N-m_3/2.

Enligt en aspekt på uppfinningen användes borsilikatbaserat glas och framställes kompositer med böjhållfastheter över ca. 413,7 MPa (60.000 psi) upprätthållbara vid temperaturer upp till ca. sno°c.

Enligt en annan aspekt användes glas med stort kiseldioxidinne- håll och böjhållfastheter över ca. 413,7 MPa âstadkommes, vilka upprätthålles vid temperaturer upp till ca. 1150°C.

Enligt ytterligare en aspekt användes aluminiumsilikatglas och kompositer med böjhâllfastheter över ca. 517,1 MPa, vilka kan upprätthållas vid temperaturer upp till ca. 700°C , framställes.

Uppfinningen skall nedan närmare beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka figur 1A grafiskt visar böjhållfasthetsdata för en borsilikat- glaskomposit förstärkt med kiselkarbidgarn enligt föreliggande upp- finning; figur 1B grafiskt visar böjhållfasthetsdata för en borsilikat- glaskomposit förstärkt med kiselkarbidmonofibrer med stor diameter enligt uppfinningen; figur 2 grafiskt visar böjhållfasthetsdata för en komposit av glas med högt kiseldioxidinneháll enligt uppfinningen; och figur 3 visar böjhållfasthetsdata för en aluminiumsilikat- glaskomposit enligt uppfinningen.

Emedan vilket som helst borsilikatglas som ger ovannämnda egenskaper kan användas enligt föreliggande uppfinning, visade sig Corning 7740 (Corning Glass Worts) speciellt lämpat för att åstad- komma dylika egenskaper. Vidare är Qorning 7930 (ca. 96 vikt-% kisel- dioxid), erhâllen genom utvinning av bor ur borsilikatglas, och 3 452 311 Corning 1723 det föredragna glaset med högt kiseldioxidinnehåll respektive aluminiumsilikatglaset. Emedan lborsilikatglaset och aluminiumsilikatglaset kan användas i sin framställningsform med en storlek pâ 0,044 mikron, kan önskade egenskaper för kompo- siter av glas med hög kiseldioxidhalt endast uppnås på tillfreds- ställande sätt med glaset efter det detsamma kulkvarnats i propanol under mer än 100 timmar. Det skall även noteras att blandningar av ovannämnda glas också kan användas med erforderligt anpassade egenskaper.

Vilket som helst kiselkarbidfibersystem med erforderlig häll- fasthet kan användas, även om ett multifibers kiselkarbidgarn med en genomsnittlig fiberdiameter på uppemot 50 mikron föredras och garn med en medeldiameter på fibrerna 5-50 mikron speciellt föredras.

Nippon Carbon Company i Japan tillverkar ett dylikt garn med ca. 250 fibrer per tråd och en genomsnittlig fiberdiameter på ca. 10 mikron. Fiberns medelhållfasthet är ca. 2000 MPa (300.000 psi) och den har en användningstemperatur på upp till 450000. Garnet har en täthet på ca. 2,7g/cc och en elasticitetsmodul på ca. 221 GPa (32 X 100 psi). Ifall en kiselkarbidmonofiber användes kan en sådan med ca. 140 mikrons diameter erhållas från AVCO Systems Division, Lowell, Mass.,?USA. Denna fiber utvecklar en genomsnittlig drag- hâllfasthet på uppemot 3450 MPa, har en temperaturkapacitet på över 13oo°c och är stabil i oxiaeranae miljö.

Emedan flera förfaranden kan användas för framställning av produkterna enligt föreliggande uppfinning, t.ex. konventionella förfaranden för tillverkning av glasvaror, är det föredragna för- farandet varmpressning av en blandning av kiselkarbidfibrerna och pulveriserat glas. Detta förfarande medger särskild formflexibilitet vid orientering av fibrer och kompositer framställda enligt för- farandet är särskilt lämpade för varmpressning till önskad form.

Ett föreslaget förfarande innefattar kontinuerlig avbildning av en tråd av kiselkarbidfibrer från en spole med moderat hastighet, varefter fibrerna ledes genom en massa av det pulveriserade glaset plus lösningsmedel och mjukgöringsmedel för impregnering av tråden.

De impregnerade fibrerna lindas sedan upp på en större roterande spole. Exempel på massakomposition kan innefatta ca. 40 g pulveriserat glas och ca. 780 ml propanol. Alternativt består kompositionen av 85 g glas och 200 g propanol, 10 g polyvinylalkohol och S droppar (ca. 1 cc) av ett blötningsmedel såsom Tergitol. Mottagningstrumman löper företrädesvis med ett varav i minuten eller med en linjär hastighet på ca. 152,4 cm/min. överskott på glas och lösningsmedel 4552 3'l1 4 kan avlägsnas genom att pressa en raka mot trumman vid upplindning.

Företrädesvis är det slipade glaset av sådan storlek att ca. 90% av detsamma passerar genom en 0,44 mm sikt. Det impregnerade bandet torkas därefter i antingen rumstemperatur eller vid förhöjd temperatur med en strålvärmekälla för avlägsnande av lösningsmedlet.

Efter impregneringen avlägsnas fibern från trumman och skäres i remsor för att passa till artikelns som skall tillverkas storlek.

Fibrerna lägges därefter i önskad riktning. Den sammansatta kompo- siten varmpressas, antingen išvakuum eller i inert gas såsom argon, i metallformar belagda med kolloidal bornitrid eller i grafit- formar sprutade med bornitridpulver, vid tryck på 6,9-13,8 MPa (1000-2000 psi) och temperaturer på 1050-1450°C. Ytterligare glas i pulverform kan också införas mellan separata skikt efter hand som de lägges om nödvändigt för att uppnå det föredragna 50%-iga volym- innehållet av kiselkarbidfibrer i en komposit. Dessutom kan formen vibreras för att medge jämn fördelning av glaset över de lagda fiberytorna. Fibrerna kan läggas upp relativt varandra i växlande skiktstaplar i vilken som helst önskad följd, t.ex. varje skikt med ensriktade fibrer (Oo orientering) växlande skikt med fiber orien- teraae o° och 9o° eller o6/3o°/6o°/9o°, o°i 4s°/9o°, etc.

Förutom att uppvisa hög brottseghet och böjhâllfasthet bibe- håller kompositerna enligt uppfinningen dessa egenskaper även vid exceptionellt höga temperaturer. Figur 1A visarden utmärkta böj- hållfastheten hos en komposit av borsilikatglas förstärkt med kiselkarbidfibrer genom användning av ett kiselkarbidgarn. För 00/90° fiberorientering (kurva A) erhölls böjhållfastheter på över 275,8 MPa vid temperaturer uppemot 600°C. För Oo fiberorientering (kurva B) erhölls böjhållfastheter på över 413,7 MPa vid temperaturer upp till ca. 600°C. Såsom framgår av figur 1B uppvisar även de (0° orienterade) kompositerna av borsilikatglas (Corning 7740) för- stärkta med monofibrer av kiselkarbid höga böjhållfastheter över 413,7 MPa och såsom speciellt framgår av kurvorna A och B, över 517,1 MPa för kurva A (35 volym-% fibrer) och över 689,5 MPa för kurva B (65 volym-%-fibrer), vilka böjhållfastheter bibehålles vid temperaturer uppemot ca. 600°C 0°/90° kiselkarbidfiberorienteringen i borsilikatglashuvudmassa, åstadkommer en böjhållfasthet över ca. 275,8 MPa, företrädesvis över 344,8 MPa vid temperaturer upp till ca. 600°C.

Figur 2 visar en komposit av glas med mycket högt kiseldioxid- innehåll, förstärkt med kiselkarbidfibrer (Oo orienterade). Kurvorna

Claims (10)

5 4552 3'I1 C och D anger nedre och övre gränser för provdata från kompositer med mellan 30 och 40 volym-% fibrer. Dessa glaskompositer med hög kiseldioxidhalt uppvisar böjhâllfastheter överstigande 413,7 MPa, företrädesvis över 482,7 MPa, vid temperaturer uppemot ca. 1150°C. Figur 3 visar böjhållfastheten för en komposit av aluminium- silikatglas förstärkt med kiselkarbidfibrer. Figur 3 (fiberhalt på so volym-%) visar för o°/9o° fiberorientering (kurva E) böjnäli- fastheter på över 517,1 MPa, företrdäesvis över 689,5 MPa, vilka upprätthâlles vid temperaturer uppemot 700°C; och för O° fiber- orientering (kruva F) böjhâllfastheter på över 1034,3 MPa, före- trädesvis över 2068,5 MPa, vilka upprätthålles vid temperaturer på uppemot ca. 700°C. Brottsegheten, uppmätt vid ett trepunkters slagprov med anvisning, gav kritiska spänningsintensitetsfaktorer (KIC) över 165 X 1o5 N-m'3/2 275 X 105 N-m -3/2 för Oo orienteringen, vilka upprätthålles upp till ca. 7oo°c. De kiselkarbidförstärkta glaskompositerna enligt uppfinningen för 00/900 orienteringen och över är särskilt användbara för varmhâllfasta konstruktionsglaskompo- nenter i omgivningar som erfordrar oxidationsmotstånd, stor håll- fasthet och seghet, och är speciellt avpassade för sådana egen- we skaper i högtemperaturomgivning (t.ex. över 600°C och i vissa fall över 1000°C)sâsom i en gasturbinmotor eller förbränningsmotor. Det är för fackmannen uppenbart att föreliggande uppfinning kan modifieras och ändras inom ramen för efterföljande patentkrav utan att frângå uppfinningens idé och ändamål. Patentkrav

1. Kiselkarbidfiberförstärkt glaskomposit, k ä n n e t e c k - n a d a v 30-70 volym-% kiselkarbidfibrer i en glashuvudmassa vald ur gruppen omfattande borsilikatglas, glas med hög kisel- dioxidhalt samt aluminiumsilikatglas, varvid kompositen uppvisar en brottseghet exemplifierad av en kritisk spänningsintensitetsfaktor över ca. 165 x 105 N-m'3/2.

2. Komposit enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att en böjhâllfasthet över ca. 413,7 MPa upp till en tempera- tur på ca. 600°C.

3. Komposit enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d a v att fibrerna uppvisar i huvudsak O° orientering inom kompositen.

4. Komposit enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att fibrerna uppvisar i huvudsak Oo/900 orientering inom 452 311 kompositen.

5. Komposit enligt patentkrav 3 eller 4, k ä n n e t e c k - n a d a v att kiselkarbidfibrer föreligger i en mängd på ca. 50 volym-%.

6. Komposit enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att huvudmassan utgöres av aluminiumsilikatglas, varvid kompositen uppvisar en böjhâllfasthet över ca. 1034,3 MPa vid temperaturer upp till ca. 700°C.

7. Komposit enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v en brottseghet över ca. 275 X 105 N-m_3/2.

8. Komposit enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att glashuvudmassan utgöres av borsilikatglas, varvid kompositen uppvisar en böjhållfasthet över ca. 275,8 MPa vid temperaturer upp till ca. 600°C.

9. Komposit enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a V att glashuvudmassan utgöres av glas med hög kiseldioxidhalt, varvid kompositen uppvisar en ööjhâllfasthet över ca. 413,7 MPa vid temperaturer upp till ca. 1150°C.

10. Komposit enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att glashuvudmassan utgöres av aluminiumsilikatglas, varvid kompositen uppvisar en böjhållfasthet över ca. 517,1 MPa vid temperaturer upp till ca. 700°C.