Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ЖИДКОФАЗНОГО СИЛИЦИРОВАНИЯ

Авторы:
Город:
Санкт-Петербург
ВУЗ:
Дата:
18 февраля 2018г.

Одной из базовых технологий получения керамоматричных композитов (КМК) с SiC матрицей является метод жидкофазного силицирования, основанный на механизме реакционного спекания пористой углеродсодержащей заготовки в процессе фильтрации через нее расплава кремния (процессы LSI – Liquid Silicon Infiltration). В результате химического взаимодействия между расплавом и углеграфитовым материалом заготовки образуется конечный продукт – карбид кремния.  Применительно к волокнисто- армированным КМК эта жидкофазная технология имеет несколько модификаций, отличающихся, прежде всего способом введения в волокнистый каркас углеродного наполнителя. Наиболее часто встречается модификация, предполагающая пропитку армирующего материала полимерным связующим с последующей карбонизацией связующего и образованием в межволоконном пространстве кокса – углеродной матрицы, т. е. получение углерод-углеродного КМ (УУКМ).

Определенный практический интерес при исследовании процессов LSI, представляет анализ получаемой конечной микроструктуры КМК, причины и условия ее образования. Это связано с тем, что в этой модификации LSI, как правило, образуется многокомпонентная матрица, содержащая фазы SiC, остатки углеродного кокса и свободного Si (рис. 1) [1]. При этом состав и структура такой матрицы во многом и определяет комплекс свойств получаемого КМК.

Отличительной особенностью структуры таких КМК является ярко выраженная сегментацией армирующих элементов, а именно разделение пучков волокон на продольные сегменты. В работе [5] установлено, что при температурах карбонизации выше 505оС в процессе термохимического преобразования полимерной  матрицы в двунаправленном  материале создается напряженно-


деформированное состояние, при котором в пучках волокон в направлении перпендикулярном оси волокон возникают растягивающие напряжения. Периодическая релаксация этих напряжений приводит к появлению продольных трещин. При этом образуются сегменты УУКМ содержащие 300-500 индивидуальных волокон. Такое растрескивание материала с образованием характерной пористой структуры получаемого УУКМ является принципиально важным моментом для последующего протекания процесса инфильтрации расплава Si в пористую структуру УУКМ и образования конечной микроструктуры КМК. Образующиеся трещины выступают при силицировании как магистральные каналы доставки Si в глубь пористой структуры УУКМ, обеспечивая эффективное и однородное образование SiC во всем объеме материала. Конечная микроструктура КМК наследует рассмотренную выше структуру УУКМ. На рис. 2 приведена сквозная эволюция структуры тканого слоистого материала при его преобразовании по схеме «углепластик» –   «УУКМ» – «КМК» [3]. Видно, что сегментация внутренней структуры композита образуется именно на стадии карбонизации (рис. 2, б), т.е. на стадии получения полуфабриката из УУКМ.



На рис. 3 представлены структуры Cf/C–SiC композита на основе углеволокнистых тканей (рис. 3, а) [4] и на основе послойно укладываемых слоев из однонаправленных и из коротко рубленых волокон, прошитых в поперечном направлении (рис. 3, б) [6]. Несмотря на явные различия в форме армирующего материала, и в этих образцах четко просматривается сегментация структуры.




Образование такой крупноблочной сегментированной структуры УУКМ имеет еще одно (помимо образования магистральных каналов) в высшей степени важное следствие для последующего процесса силицирования. Речь идет о том, что при такой структуре УУКМ область активного действия расплава кремния преимущественно ограничивается взаимодействием с углеродом лежащим вдоль стенок этих магистральных каналов. Слой карбида кремния формируется вокруг пучков, и только небольшое количество кремния проникает внутрь объема сегментов, приводя к незначительному повреждению отдельных волокон [5, 6], т.е. плотная углеродная матрица защищает углеродные волокна внутри сегментов (пучков волокон) от воздействия высоко активного кремния, тогда как слои SiC и остаточного кремния образуются вокруг пучков волокон (рис. 4). Таким образом, углеродные волокна, находящиеся внутри сегментов, практически не вступают в соприкосновение с кремнием.

В работе [2] приведены результаты исследования микроструктуры и химического состава КМК с SiC матрицей, получаемых методом LSI карбонизированных углепластиков на основе рубленых пучков углеродных волокон. Исследования проводились методами оптической, сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа.





Анализ микроструктуры позволил оценить фазовый состав материала и степень сохранения целостности углеродных волокон в процессе силицирования. Было установлено, что структура просилицированных образцов включает фазы первичного и вторичного SiC, остатки углеродной матрицы и свободного остаточного Si, а также углеродные волокна, которые частично могут замещаться SiC. При этом SiC, сформировавшийся при взаимодействии с углеродным волокном, воспроизводит форму и текстуру исходного волокнистого наполнителя. Пористость КМК данного типа составляла менее 5%.

На рис. 5 приведены результаты элементного (кремний и углерод) микроанализа основных участков КМК. Морфологическая особенность таких КМК, подтверждающаяся и результатами элементного микроанализа – наличие достаточно плотных защитных оболочек, толщиной 15-20 мкм, окружающих пучки волокон.

На стадии инфильтрации жидкий кремний, почти не просачиваясь через коксовую оболочку, взаимодействует с ней с образованием кристаллического SiC (рис. 5, а). Внутри оболочки в межволоконном пространстве формируется специфическая фрагментарная матрица, состоящая по преимуществу из коксового остатка начального полимерного связующего и содержащая лишь незначительное количество SiC (рис. 5, б). Сформировавшаяся зона контакта «волокно–матрица» внутри пучка с одной стороны, объединяет пучок в единое целое и распределяет нагрузку между волокнами, а с другой стороны, не препятствует продергиванию волокон при разрушении такого материала, повышая вязкость его разрушения, а монолитная SiC-матрица в межпучковом пространстве обеспечивает высокую прочность, твердость и износостойкость материала.

Таким образом, установлено, что при данной организации процесса LSI практически отпадает необходимость в проведении специальных мероприятий по защите углеродных волокон от взаимодействия с кремнием.




Список литературы

 

1. Кулик В.И. Исследование микроструктуры и свойств композитов с карбидокремниевой матрицей, полученных инфильтрацией расплавом кремния волокнисто-армированных карбонизированных углепластиков, модифицированных порошковым наполнителем / В.И. Кулик, Р.Л. Сапронов, А.С. Нилов и др. // М-лы докл. 7-й межд. науч.-техн. конф.: «Новые материалы и технологии: порошковые металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия» – Минск: ИПК БГНПК ПМ, 2006. - с. 200-201.

2.   Кулик   В.И.   Исследование   триботехнических   характеристик   композиционных   материалов   с карбидкремниевой матрицей / В.И. Кулик, А.С. Нилов, А.П. Гаршин и др. // Новые огнеупоры, 2012. - № 8. - С. 45-56.

3. Кулик В.И. Технологические дефекты керамоматричных композитов, получаемых методом жидкофазного силицирования / В.И. Кулик, А.С. Нилов // Актуальные вопросы технических наук в современных условиях.: Сб. научных трудов по итогам V межд. науч.-практ. конф. г. Санкт-Петербург, 2018. - С. 32-35.

4.       El-Hija H.A. Development of C/C–SiC Brake Pads for High-Performance Elevators / H.A. El-Hija, W. Krenkel, S. Hugel // Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2005. – Vol.2[2]. – Р.105–113.

5.     Krenkel W. Carbon Fiber Reinforced CMC for High-Performance Structures // Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2004. - Vol.1 [2]. – P.188-200.

6.      Li B. Low-cost preparation and frictional behaviour of a three-dimensional needled carbon/silicon carbide composite / B. Li, L. Cheng, L. Yu [at al.] // Journal of the European Ceramic Society, 2009. – Vol. 29(3). - Р. 497–503.