Скачков В.О., Бережна О.Р., Іванов В.І., Печеннікова В.М., Моисейко Ю.В. Запорізька державна інженерна академія

ПРО ВЛАСТИВОСТІ ТЕРМОСТІЙКИХ УГЛЕРОД-

КРЕМНІЄВИХ КОМПОЗИТІВ

Композиційні матеріали на основі вуглецевих волокон знаходять широке застосування в авіабудуванні, аерокосмічній техніці та напівпровідниковій промисловості як термостійкі фрикційні елементи, нагрівальні вузли та теплоізоляція. У роботах [1-3] описано технологічні методи та властивості вуглець-вуглецевих, вуглець-алюмінієвих і вуглець-магнієвих композиційних матеріалів.

Силіційовані вуглець-вуглецеві композиційні матеріали суттєво відрізняються від вище перелічених композиційних матеріалів за своїми властивостями, особливо за хімічною та окислювальною стійкістю [4]. Поліпшення властивостей даних композиційних матеріалів передбачає створення спеціальної поруватої структури. Відомо, що просочення вуглецевих композиційних матеріалів розплавом кремнію припускає процеси проникнення останнього транспортними порами до об’єму композиту, дифузію атомів кремнію через стінки пор до структури вуглецю, розчинення атомів вуглецю матричного матеріалу в об’ємі рідкого кремнію. Під час реалізації вище перелічених процесів у інтервалі температури 1450…1500 °С реакція створення карбіду кремнію характеризується низькими швидкостями, а ступінь участі кремнію в даному процесі не перевищує 10…15% від його об’єму. За температури вище 1600 °С швидкість протікання утворення карбідів значно зростає, і процес завершується утворенням карбідів за всім обсягом контакту атомів вуглецю з атомами кремнію. Проте під час просочення карбонізованих композиційних матеріалів відбувається взаємодія рідкого кремнію та вуглецевих волокон. Як наслідок, значно знижуються міцністні та пружні характеристики, а також ударна в’язкість композиційних матеріалів.

Для виключення процесу розчинення вуглецевих волокон у рідкому кремнію необхідним є створення на поверхні волокон буферних захисних покриттів. За умов просочення й утворення карбіду кремнію захисні буферні шари на армуючих компонентах композиційних матеріалів не повинні взаємодіяти з вуглецем і кремнієм та при цьому витримувати температуру протікаючих процесів без розтріскування та руйнування. Найбільш відповідними матеріалами для вказаних цілей є оксиди металів.

Карбонізовані вуглецеві композиційні матеріали піддавали просоченню розплавом кремнію за технологією, описаною в роботі [5] та одержували силіційований матеріал з щільністю 2,50…2,60 г/см³, змістом вуглецю 10…12 %, карбіду кремнію 50…55 % та кремнію – 33…40 %. При цьому спостерігали нерозчинність армуючого компоненту – вуглецевого волокна у розплавленому кремнії.

Здійснювали оцінювання можливості захисту армуючих компонентів карбонізованих вуглецевих композиційних матеріалів з використанням сумішей на основі кварцу з утворенням покриття товщиною 3…5 мкм.

Перевірку ефективності нанесеного покриття здійснювали методом окислення у присутності кисню за температури до 1000 °С. Стійкість покриття оцінювали значенням відносної втрати маси зразків.

Розгляд результатів експериментів показує, що з підвищенням температури процесу окислення ефективність захисного покриття зростає з 36 до 50 %. Збільшення тривалості процесу для компонентів з покриттями обумовлює меншу швидкість втрати маси відносно компонентів без покриття.

Згідно технології, описаної в роботі [5], було виготовлено зразки на основі вуглецевих волокон з кварцовим покриттям товщиною 0,5…2,0 мкм і проведено їх силіціювання за максимальної температури процесу 1650 °С. Одержаний композиційний матеріал характеризувався щільністю 2,25…2,35 г/см³, вмістом вуглецю 52…58 %, кремнію – 25…30 % та карбіду кремнію – 22…33 %.

Результати мікроструктурного аналізу підтвердили, що вуглецеві волокна, в цілому, зберегли свою цілісність і структуру. Наявність деяких ділянок волокон, розчинених у кремнії, свідчить про локальні порушення захисного буферного покриття.

ЛІТЕРАТУРА

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.

4. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Справочник / Под ред. Соседова В.П. – М.: Металлургия, 1975. – 335 с.

5. Скачков В.А., Карпенко А.В., Карпенко Н.А. и др. О получении низкоплотных карбонизованных материалов / Металургія (Наукові праці ЗДІА). - Запоріжжя: РВВ ЗДІА, 2004. – Вип. 9. – С.104-105.