SU680639A3 - Композиционный материал - Google Patents

Description

(54) КОМПОЗИЦИОННЬЙ МАТЕРИАЛ

8)соединени , имеющие Si-О-Si св зь

9)сложные эфиры кремнийорганических соединений

10) перекиси кремнийорганических

соединений

По крайней мере из одного из кренийорганических соединений с низким молекул рным весом,принадлежащего к вышеописанньом группам (1-10) ,при помощи реакции поликонденсацйи с использованием по крайней мере одного из процессов облучени , нагревани  и добавлени  катализатора дл  поликонденсации получаютс  кремнийорганические соединени  с высоким молекул рным весом, имеющие в ка- естве главных составл ющих решетки кремний и углерод,например, такие, которые имеют следующие молекул рные

структуры I

-Si - (С)- Si - О- (I) -si - О - (С)- О - (II)

-Si - (С) -(III),

а также соединени , имеющие вышеописанные составл ющие решетки (I-III) по крайней мере в качестве частичных структур в линейных, кольцевых и объемных структурах, или смеси соединений, имеющих описанные составл ющие решетки (I-III),

По крайней мере из одного из крем нийорганических соединений с высоки молекул рным весом, содержащих по крайней мере одну из описанных выше молекул рных структур, при необходимости с добавлением небольшого количества по крайней мере одного из металлоорганических соединений, металлокомплексов и органических полимеров , отличных от вышеописанных двух соединений, или при реакции с ними, получаетс  пр дильна  жидкость , котора  затем .может быть подвергнута пр дению в волокна различной длины и однородной тонины. Спр денные волокна нагреваютс  при низкой температуре 50-4ОО С в окисл ющей атмосфере, а затем, предварительно нагретые при 600-1000°С по крайней мере в вакууме, в атмосфере инертных газов, газообразной СО, водородно-углеродной газовой смеси, кремнийорганической составной газовой атмосфере и в атмосфере газообразного водорода, образуют предварительно нагретые непрерывные волокна карбида кремни . Однако предварительное нагревание может успешно протекать даже если описанна  выше атмосфера содержит по крайней мере один из окисл ющих газов, газообразную углеродно-водородную смесь и газообразный водород при парциальных давлени х менее, чем 10 мм рт.ст. Предварительно нагретые волокна прокаливают при 1000- 2000с в вакууме, в атмосфере инертных газов, газообразной СО, газообразной COj, газообразной углеродноводородной смеси, составной газообразной кремнийорганической атмосфере и в атмосфере газообразного водорода дл  образовани  непрерьшных волокон карбида кремни .

Ниже приведены.различные харак|теристики Sic волокон, имекицих 10 мк и полученных при помощи прокаливани  при в вакууме в соответствии с описанным выше методом

Средний диаметр кристал5 лических зерен, А

33

Плотность, г/см 2,5-3,1

Твердость (по Мосу)

9

Прочность на разрыв,

кг/мм 2 300-500

0 Модуль Юнга, кг/мм (2,0-4,0x10

Даже если волокна выдерживаютс  при 1300с в течение 100 ч на воздухе , изменений веса не наблюдаетс . При повторении более 1000 циклов 5 быстрого нагревани  g резкого охлаждени  S диапазоне 25 С-1000°С структура не измен етс .

В описанных выше волокнах карбида кремни , полученных при помощи прокаливани  определенных волокон,состотцих главным образом из кремнийорганического соединени  с высоким молекул рным весом, обычно остаетс  более, чем 0,01% свободного углерода , причем остаточное его количество колеСлетс  в зависимости от различных условий, таких как температура прокаливани , продолжительность прокаливани  и состав атмосферы при прокаливании. Этот свободный углерод реагирует с расплавленным металлическим кремнием с образоваванием на.границе волокон карбида кремни  и металлического кремни  карбида кремни . Поэтому св зь SiC волокон с металлическим Si обеспечиваетс  прочным сцеплением, благодар  локальной химической реакции из-за присутстви  на границе между волокнами и металлическими SiC свободного углерода в дополнение к сцеплению благодар  смачиваемости г в результате чего может быть достигнуто более прочное сцепление. Кроме того, в SiC волокнах в .соответствии с насто щим изобретением размер кристаллических зерен составл ет несколько дес тков А, так что количество микроскопических неровностей (выпуклостей и впадин) на поверхности волокна становитс  весьма значительным на единицу площади и расплавленный металлический кремний проникает в неровные участки, в результате чего площадь контакта становитс  значительно большей и сцепление волокон с металличесКИМ кремнием становитс  очень сильным благодар  смачиваемости.

Достоинство зап шнени  свободных промежутков между волокнами SiC в пакете кремнием заключаетс  в следующем . Расплавленный кремний не вызывает никакой реакции, в результат которой свойства SiC волокон изменились бы, и, кроме того, он обладает хорошей смачивающей способностью и способностью прочно св зыватьс  с SiC волокнами, благодари взаимной диффузии SiC и Si. Предложенный композиционный материал може быть получен следующими способами:

1)Пакет волокон погружают в расплав металлического кремни  под вакуумом или в атмосфере инертного газа.

2)Процесс аналогичен указанному выше, но волокна пропускаютс  через ванну с расплавом металлического кремни  и выт гиваютс  вверх или вниз дл  образовани  пучка волокон.

3)Каждое волокно или пакет волокон покрываетс  расплавом металлического 81 и затем волокна подвергаютс  гор чему прессованию.

4)Волокна помещаютс  в прессформу и затем в нее заливаетс  расплав металлического кремни , или

в пресс-форму загружаютс  волокна и твердый металл, а затем прессформа нагреваетс  до температуры выще, чем точка плавлени  металла, дл  образовани  конгломератного издели ,

В этих процессах наилучший эффек достигаетс , если волокна и расплав металлического кремни  соедин ютс  при пониженном давлении, а затем атмосфера измен етс  до состо ни  сжати , в результате чего степень сцеплени  возрастает. С помощью использовани  вышеописанных процессов возможно получение гомогенных и прочных волокнистых конгромератов , не имеющих пор и пустот между волокнами и металлом.

Предпочтительно, чтобы содержание металлического кремни  в волокнистых конгломерах в соответствии с насто щим изобретением было в пределах 5-35 вес.%. Когда содержание кремни  меньше 5%, пустоты в пакете волокон не могут быть полностью заполнены, так что невозможно получить удовлетворительный волокнистый конгломерат, составленный из волокон и металла, а гомогенность и прючность составного материала  вл ютс  неудовлетворительными. С другой стороны , когда содержание кремни  выше 35%, пустоты в пакете волокон станов тс  слишком широкими, что снижает прочность и теплостойкость волокон.

Пример. Провод т реакцию диметилхлорсилана с натрием дл 

получени  диметилполисилана. В автоклав емкостью в 1 л загружают 250 г диметилполисилана и воздух в автоклаве замен ют на газообразный аргон. При 470с в течение 14ч осуществл етс  реакци . По окончании реакции образовавшийс  поликарбосилан вы- , гружают из автоклава в виде N-гексанового раствора. Раствор фильтруют дл  удалени  примесей и затем N -гексан выпаривают при пониженном давлении, после чего остаток нагре0 вают в масл ной ванне при 280с под вакуумом в течение 2 ч дл  его концентрации. Получают 40% поликарбосилана от вз того количества диметилхлорсилана с мол.вес. 1700 «

5 ( средний). При помощи использовани  обычных пр дильных аппаратов поликарбосилан разогревают и расплавл ют при 330 С в атмосфере аргона дл  образовани  пр дильного распла0 ва, который подвергают пр дению со скоростью 200 м/мин дл  получени  пЬликарбосилановых волокон. Волокна нагревсшт при повышении температуры с 20 до 190°С в воздухе в течение

5 6 ч и эта температура поддерживаетс  в течение 1 ч дл  обработки в нерасплавленном виде. Обработанные таким образом волокна нагревают до 1300°С при скорости повышени  темпе0 ратуры ЮО С/час под вакуумом в 1х1( рт.ст. и эта температура поддерживаетс  в течение 1 ч дл  образовани  SiC волокон. Полученные SiC волокна имеют средний диаметр

5 15 мк, среднюю прочность на раст жение 350 кг/мм , средний модуль Юнга 23x10 j{r/№4 и удзльный вес 2,70 г/см.

Полученные волокна длиной 50 мм

0 собирают в пучок и помещают в тигель из окиси алюмини  диам.12x50 мм Тигель помацают в верхнюю часть нагревательного сосуда под вакуумом в 1x10 мм рт.ст. В нижнюю часть

5 этого сосуда помещают ванну из окиси алюмини  дл  загрузки расплава металлического кремни  и ванну нагревают , металлический кремний в ванне поддерживаетс  в состо нии

0 расплава при 1500 С. Затем тигель опускают и погружают в расплав металла в ванне и выдерживают в погруженном состо нии в течение 5 мин. Вокруг ванны устанавливают давление

5 газообразного аргона в 10 атм, ко- , торое поддерживаетс  в течение 10 мин, после чего тигель извлекают из ванны. Полученный таким образом волокнистый конгломерат обрабаты0 вают дл  получени  стержн  10x40 мм, который подвергают испытани м.

Физико-механические свойства конгломерата приведены в таблице. Прочность на раст жение, кг/см 320-40 300 (10-15)х10 (8-13 2 Модуль Юнга, кг/мм Увеличение веса в воздухе при в течеБлизко к О ние 50 ч, %

П РИМ е р 2, Полученные в соответствии с технологией по примеру 1 волокна карбида кремни  сплетают в сетку с помощью  чейки 0,1-0,3 мм и внешним размером 30 мм х 30 мм х X 1 мм. Сетку помоцают на дно матрицы дл  гор чего прессовани , изготовленной из окиси алюмини , а зате сверху засыпают порошкообразный металлический кремний на толщину сло  над сеткой в 3 мм и все вместе нагревают до 1450 С под вакуумом в IxlO cM рт.ст. Затем снижают температуру со скоростью 5°С/мин при одновременном поддержании давлени  100 кг/см , Лишний расплав кремни  при сжатии пуансоном вьадавливают в зазор между матрицей и пуансоном. Получают составной лист, в котором сетка из волокон карбида кремни  заключена в металлический кремний. Содержание волокон в листе около 80 вес.%. Прочность и другие характеристики составного листа аналогичны характеристикам соответствующего конгломерата, приведенным в таблице, однако, составной лист обладает более высоким модулем упругости при изгибе, поэтому этот лист может быть использован в качестве огнеупорного при температуре до ISSO C.

Примерз, В трубчатую прессформу из карбида кремни  с внешним диам. 30 мм, внутренним 25 мм, длиной 15 мм помещают непрерывные волокна карбида кремни  длиной 100150 мм, полученные по технологии, приведенной в примере 1, и прессформу помещают в вакуум в IxlO MM рт.ст. Внутрь этой пресс-формы заливают предварительно расплавлен- . ный при нагревании до 1500°С метталлический кремний.

Таким образом получают отпрессованный составной образец цилиндрической формы из волокон карбида кремни . Содержание ЁОЛОКОН в этогобразце 70 вес.%, а прочность и другие характеристики аналогичны характеристикам соответствующего

конгломерата, приве енньои в таблице . Отпрессованный образец обладает отличной эластичностью (даже если обрацез имеет овальную форму, он нелегко разрушаетс ) и его можно использовать в качестве циркул ционных трубок дл  сред с высокой температурой .

Пример4. Металлический кремний, предварительно расплавленный в атмосфере аргона загружают в ванну дл  непрерывного лить  {50x50x50 см) и около 200 непрерывных Sic волокон, полученных в соответствии с методикой по примеру 1, пропускают вниз сквозь указанную ванну и через отверстие в центре дна ванны дл  сбора волокон и сматывани  со скоростью 1 м/мин таким образом, что пучок врлокон карбида кремни  скручиваетс . Перед сматывающим устройством устанавливгиот охватывающий змеевик, и скрученный пучок волокон с расплавом кремни  пропускают через указанный змеевик, в результате чего лишний расплавленный кремний удал ют, а указанный пучок волокон охватывают, и расплавленный металлический кремний затвердевает .

Весова  пропорци  волокон в полученном Sic волокнистом конгломерате имеющем форму жгута, около 90%, а характеристики этого материала одинаковы с характеристиками соответствующего соединени  по указанной таблице. Волокнистый конгломерат , имеющий форму жгута, обладает относительно высоким модулем упругости при изгибе, его можно использовать дл  работы под нагрузкой при высоких температурах.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Композиционный материал, включающий металлический кремний и волокна карбида кремни , отличающис   тем, что, с целью повышени  механической прочности, он содержит непрерывные волокна карбида кремни  при следующем соотношении компонентов, вес.%: 270-330 250-300 410 (7-11)х10 (б-10)х10 ) х10 9 Металлический кремний5-35 волокна карбида кремни 65-95 680639 iQ Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Патент Франции IH597668, кл. С 04 В, опублик.1970.