Анализ возникновения, характеристика и способы минимизации технологических дефектов в керамических композитах с SiC-матрицей, получаемых методом жидкофазного силицирования

Сформулированы основные технологические дефекты, характерные для керамоматричных композитов (КМК) с SiC-матрицей, получаемых методами жидкофазного силицирования: объемная и поверхностная сегментация КМК, неоднородность процесса силицирования, деградация углеродных и SiC-волокон от расплава Si, наличие микротрещин, открытых и закрытых пор, внутреннее растрескивание и вспучивание конечного КМК. Проанализированы причины их возникновения и показано, что большинство дефектов являются следствием сложных физико-химических и теплофизических явлений, сопровождающих базовые модификации данной технологии. Для основных технологических дефектов сформулированы практические рекомендации для их недопущения или минимизации их влияния на эксплуатационные характеристики конечного материала. Показана необходимость проведения специальных исследований по оптимизации состава полуфабрикатов и режимов всех стадий технологического процесса с целью получения КМК с минимальной дефектностью и максимально высокими эксплуатационными свойствами.

1. Гаршин А. П. Современные технологии получения волокнисто-армированных композиционных материалов с керамической огнеупорной матрицей (Обзор) / А. П. Гаршин, В. И. Кулик, С. А. Матвеев, А. С. Нилов // Новые огнеупоры. — 2017. — № 4. — С. 20-35. [Garshin, A. P. The state-of-art technologies for the fiber-reinforced composition materials with the ceramic refractory matrix (Review) / A. P. Garshin, V. I. Kulik, S. A. Matveev, A. S. Nilov // Refract. Ind. Ceram. — 2017. — Vol. 58, № 2. — P. 148-161.]

2. ГОСТ Р 56465-2015. Системы космические. Материалы неметаллические на основе керамоматричных и углерод-углеродных композиционных материалов, применяемые в составе жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ориентации и коррекции импульсов). Классификация. Номенклатура показателей.

3. Krenkel, W. Carbon fiber reinforced CMC for high-performance structures / W. Krenkel // International Journal of Applied Ceramic Technology. — 2004. — Vol. 1, № 2. — P. 188-200.

4. El-Hija, H. A. Development of C/C-SiC brake pads for high-performance elevators / H. A. El-Hija, W. Krenkel, Hugel // International Journal of Applied Ceramic Technology. — 2005. — Vol. 2, № 2. — Р. 105-113.

5. Li, B. Low-cost preparation and frictional behaviour of a three-dimensional needled carbon/silicon carbide composite / B. Li, L. Cheng, L. Yu fet al.] // J. Eur. Ceram. Soc. — 2009. — Vol. 29, № 3. — Р. 497-503.

6. Станкус, С. В. Термические свойства германия и кремния в конденсированном состоянии / С. В. Стан-кус, Р. А. Хайрулин, П. В. Тягельский // Теплофизика высоких температур. — 1999. — Т. 37, № 4. — C. 559-564.

7. Елаков А. Б. Разработка технологии изготовления углерод-углеродного композиционного материала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила : дис. ... канд. техн. наук / А. Б. Елаков. — Королев, 2018. — 144 с.

8. 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. [Kulik, V. I. The investigation of tribotechnical characteristics for composites based on carbide-silicon matrix / V. I. Kulik, A. S. Nilov, A. P. Garshin [et al.] // Refract. Ind. Ceram. — 2012. — Vol. 53, № 4. — P. 259-268.]

9. Гаршин, А. П. Конструкционные карбидокремниевые материалы / А. П. Гаршин, В. В. Карлин, Г. С. Олейник, В. Н. Островерхов. — Л. : Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1975. — 152 с.

10. MentzJ. Processing of porous C/SiC «via siliconizing» / J. Mentz, M. Muller, H.-P. Buchkremer, D. Stover // Proc. of International Conference on Carbon Materials «Carbon'01», Lexington, Ky, 14-19 July 2001. https://acs.omnibooksonline.com/data/papers/2001_31.3.pdf.

11. Ершов, А. Е. Метод расчета фазового состава SiC-Si-C-материалов, получаемых силицированием углеродных матриц / А. Е. Ершов, С. Л. Шикунов, В. Н. Курлов // Журнал технической физики. — 2017. — Т. 87, вып. 6. — С. 888-895.

12. Крамаренко, Е. И. Получение и свойства фрикционных углерод-керамических материалов класса С/ SiC / Е. И. Крамаренко, В. В. Кулаков, А. М. Кенигфест [и др.] // Изв. Самарского научного центра Российской академии наук. — 2011. — Т. 13, № 4 (3). — С. 759-764.

13. Костиков, В. И. Основы технологии углерод-углекарбидкремниевых композитов для изделий экстремальных условий эксплуатации / В. И. Костиков, Н. М. Черненко, И. И. Сидоров // Тр. 3-й Междунар. конф. «Материалы и покрытия в экстремальных условиях», 13-17 сентября 2004 г., г. Кацивели, Украина, 2004. — C. 9, 10.

14. Композиционные материалы : справочник / В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин [и др.] ; под общ. ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского. — М. : Машиностроение, 1990. — 512 с.

15. Corman, G. S. Silicon melt infiltrated ceramic composites (HiPerCompTM) ; In Hanbook of ceramic composites / G. S. Corman, K. L. Luthra ; ed. by P. Narottam. — Bansal, Boston, Dordrecht, London : Kluver Academic Publishers, 2005. — 554 р.

16. Шикунов, С. Л. Получение композиционных материалов на основе карбида кремния силицировани-ем углеродных матриц / С. Л. Шикунов, В. Н. Курлов // Журнал технической физики. — 2017. — Т. 87, вып. 12. — С. 1871-1878.

17. Magnant, J. Carbon fiber / reaction-bonded carbide matrix for composite materials — manufacture and characterization / J. Magnant, L. Maille, R. Pailler [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. — 2012. — Vol. 32, № 16. — P. 4497-4505.

18. Молчанов, В. В. Сорбенты и носители на основе нанопористых углеродных ксерогелей / В. В. Молчанов, М. Н. Щучкин, В. И. Зайковский [и др.] // Кинетика и катализ. — 2008. — T. 49, № 5. — С. 734-740.

19. Muller, M. Origin and effect of fiber attack for the processing of C/SiC / M. Muller, J. Mentz, P. H. Buchkremer, D. Stover : in High temperature ceramic matrix composite by W. Krenkel [et al.] (eds). — 2001. — P. 66-72.

20. Гаршин, А. П. Основные направления повышения коррозионно- и жаростойкости огнеупорных волокнисто-армированных керамоматричных композитов / А. П. Гаршин, В. И. Кулик, А. С. Нилов // Новые огнеупоры. — 2017. — № 12. — С. 49-59. [Garshin, A. P. Main areas for improving refractory fiber-reinforced ceramic matrix composite corrosion and heat resistance (Review) / A. P. Garshin, V. I. Kulik, A. S. Nilov // Refract. Ind. Ceram. — 2018. — Vol. 58, № 6. — Р. 673-682.]

21. Бакланова, Н. И. Интерфейсные покрытия на армирующих углеродных и карбидокремниевых волокнах для композитов с керамической матрицей : дис. ... докт. хим. наук / Н. И. Бакланова. — Новосибирск, 2011. — 380 с.

22. Kobayashi, K. High temperature oxidation of carbon/SiC/B4C composite in different atmospheres / K. Kobayashi, K. Maeda, H. Sano, Y. Uchiyama // Tanso. — 1992. — Vol. 151. — P. 20-26.

23. Пат. 2337083 Российская Федерация. Способ получения волокнисто-армированного углеродкарбидокремниевого композиционного материала / Кулик В. И., Нилов А. С., Загашвили Ю. В., Кулик А. В., Рамм М. С. ; заявл. 07.06.06 ; опубл. 27.10.08, Бюл. № 30.

24. Krenkel, W. Ceramic matrix composites for high performance friction applications / W. Krenkel, N. Langhof // In Proceedings of the IV Advanced Ceramics and Applications Conference, 2017. — Р. 13-28.

25. Пат. 2480433 Российская Федерация. Способ изготовления герметичных изделий из углеродкарбидокремниевого материала / Синани И. Л., Бушуев В. М., Бутузов С. Е. ; заявл. 08.07.11 ; опубл. 27.04.13, Бюл. № 12.

26. Породзинский, И. А. Высокоплотные карбидкремниевые материалы с регулируемым фазовым составом : дис. ... канд. техн. наук / И. А. Породзинский. — Москва, 2015. — 146 с.

27. Пат. 2471707 Российская Федерация. Способ изготовления герметичных изделий из углерод-углеродного или углерод-карбидокремниевого композиционного материала / Синани И. Л., Бушуев В. М., Бутузов С. Е. ; заявл. 20.01.11 ; опубл. 10.01.13, Бюл. № 1.

28. Nam, K. W. Effect of crack healing of SiC according to times of SiO2 colloid coating / K. W. Nam // Journal of Powder Technology. — 2013. — Article ID 695895. — 5 p.

29. Пат. 2008/007411 WO. Braking band composite structure of a brake disk / Goller R. S., Mauri В., Orlandi М. ; опубл. 17.01.2008.

30. Courtois, C. Protection against oxidation of C/SiC composites: oxidation behaviour of CVD TiB2 coated substrates / C. Courtois, J. Desmaison, H. Tawil // Journal de Physique IV Colloque, 1993. — Vol. 3. — P. 843-853.

31. Фиалков, А. С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе / А. С. Фиалков. — М. : Аспект Пресс, 1997. — 718 с.