Технические науки / машиностроение

Скачков В.А., Бережная О.Р., Иванов В.И., Карпенко А.В., Моисейко Ю.В.

Запорожская государственная инженерная академия

УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ УГЛЕРОД-КРЕМНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ

Композиты на основе углеродных волокон находят широкое применение в аэрокосмической технике и авиастроении в качестве термостойких фрикционных элементов и нагревательных узлов. В работах [1-3] представлены технологические методы и свойства углерод-углеродных, углерод-алюминиевых и углерод-магниевых композитов.

Углерод-кремниевые композиты по химической и окислительной стойкости существенно отличаются от вышеперечисленных материалов. Пропитка углеродных композитов расплавом кремния предполагает процессы его проникновения по транспортным порам в объем композита, диффузию атомов кремния через стенки пор в структуру углерода, а также растворение атомов углерода матричного материала в объеме жидкого кремния. В интервале температур 1450…1500 °С реакция образования карбида кремния характеризуется низкими скоростями, и степень участия кремния в данном процессе не превышает 10…15% от его объема. При температурах выше 1600 °С скорость протекания указанной реакции значительно возрастает, и процесс завершается образованием карбидов по всему объему контактирования атомов углерода и кремния. Однако при пропитке карбонизованных углеродных композитов расплавом кремния имеет место взаимодействие жидкого кремния и углеродных волокон, что приводит к значительному снижению прочностных и упругих свойств, а также ударной вязкости данных композитов.

В связи с этим возникает необходимость создания на поверхности армирующих компонентах композитов волокон буферных защитных покрытий. Такие буферные слои не должны взаимодействовать с углеродом и кремнием и при этом выдерживать температуру протекающих процессов без растрескивания и разрушения. Наиболее подходящими материалами для указанных целей являются составы на основе кварца.

Карбонизованные углеродные композиты подвергали пропитке расплавом кремния и получали материал с плотностью 2,50…2,60 г/см³, содержанием углерода 10…12%, карбида кремния 50…55% и кремния – 33…40%. При этом не наблюдали растворение армирующего компонента – углеродного волокна – в расплавленном кремнии.

Оценку возможности защиты армирующих компонентов карбонизованных углеродных композитов составами на основе кварца с образованием покрытия осуществляли методом окисления в присутствии кислорода при температурах до 1000 °С. Стойкость полученных защитных покрытий определяли по величине относительной потери массы образцов. Результаты проведенных исследований представлены на рисунке.

Окислительная стойкость углерод-кремниевых композитов на воздухе

1, 3 – образцы с покрытием; 2, 4 – образцы без покрытия; 1, 2 – при температуре процесса 1000 °С; 3, 4 – при температуре процесса 700 °С

Анализ полученных результатов показывает, что с повышением температуры процесса окисления эффективность защитного покрытия возрастает с 20 до 30%. Увеличение длительности процесса для компонентов с покрытиями обусловливает меньшую скорость потери массы по отношению к компонентам без покрытия.

Были изготовлены образцы на основе углеродных волокон с кварцевым покрытием толщиной 0,5…2,0 мкм и проведено их силицирование при максимальной температуре процесса 1650 °С. Полученный композит характеризовался плотностью 2,25…2,35 г/см³, содержанием углерода 52…58%, кремния – 25…30% и карбида кремния – 22…33%.

Как установлено результатами микроструктурного анализа, углеродные волокна сохранили свою целостность и структуру.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фиалков А.С. Углерод: межслоевые соединения и композиты на его основе. – М.: Аспект пресс, 1997. – 706 с.

2. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, полученные методом пропитки. – М.: Металлургия, 1986. – 206 с.

3. Портной К.И., Салибеков С.Е., Светлов И.Л. Структура и свойства композиционных материалов. – М.: Машиностроение, 1979. – 251 с.