2.2.12 Карбид - кремниевые волокна

Карбид- кремниевые ( SiC ) волокна являются одними из высокотермопрочных и термостойких армирующих материалов. На основе волокон SiC и кремниевой матрицы созданы перспективные композиционные материалы для элементов горячей части ГТД (лопатки турбины, соплового аппарата и др.), ДВС (поршни, цилиндры, камеры сгорания), элементов конструкций ракетной и космической техники. Композиционные материалы представляют собой кремниевую матрицу, армированную волокнами SiC. Композиционный материал SiC - Si жаропрочен, коррозионно - стоек, обладает высокой ударной прочностью, длительной жаростойкостью при температурах до Т = 1370 °С. Волокна SiC обеспечивают изделию высокую прочность при высоких температурах, низкую плотность, а кремний, пластически деформируемый выше 600°С, сообщает материалу повышенную ударную вязкость. Максимальная температура применения ограничена температурой плавления кремниевой матрицы - 1410°С. Композиционный материал на основе SiC - Si получают при взаимодействии расплава кремния с волокнами углерода. Технология изготовления изделий состоит в инфильтрации углеродных волокон или волокнистого материала в вакууме расплавом кремния. В результате образуются преимущественно SiC - кристаллы размерами 1...50 мкм. Исходная ориентация волокон в волокнистом материале сохраняется; так, если полуфабрикат состоит из ориентированных волокон, то структура композиционного материала состоит из ориентированных кристаллов SiC в кремниевой матрице.

Изделия могут быть получены и точным литьем при 1500°С расплава в форму, заполненную углеродным волокном, пряжей или фетром. Путем изменения содержания углеродных волокон, их ориентации в полуфабрикате получают композиционные материалы различной структуры.

Рассматриваемая выше технология представляет собой метод получения изделий, при котором одновременно образуются волокна SiC и формируется композит.

На рис. 2.10 приведены зависимости продольного модуля упругости и прочности высокоармированного (75% SiC , 20% Si и 5 % С) композита от температуры, полученного пропиткой ровницы из углеродных волокон. В продольном направлении модуль упругости при 1200°С уменьшается незначительно, а прочность не изменяется до 1200°С, выше которой начинает падать с приближением к температуре плавления кремния. Во всех случаях, однако, наблюдается линейная зависимость нагрузка - деформация, что указывает на хрупкий характер разрушения КМ.

Рассмотренный выше композиционный материал представляет один из видов армированной керамики. При армировании керамики дисперсными частицами ее прочность удается повысить в 2 - 3 раза, а ударную вязкость - не более чем в 10 раз. Армирование ее непрерывными волокнами позволяет увеличить ее предел прочности на растяжение более чем на порядок, а ударную вязкость - на 3 - 4 порядка.

Рис. 2.10 Зависимость модуля упругости от температуры испытания композиционного материала SiC – Si (75% SiC, 20% Si и 5% C): 1 – в продольном направлении; 2 – в поперечном направлении