Определение влияния пористой структуры углерод-углеродных композиционных материалов на основе иглопробивной преформы на полноту пропитки расплавом кремния

В настоящее время особое место среди материалов, используемых в цветной металлургии, занимают силицированные углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ). На процесс силицирования пористого УУКМ значительно влияют его микроструктурные характеристики. Изучение влияния пористой структуры различных УУКМ на полноту пропитки расплавом кремния может позволить регулировать фазовый состав силицированных материалов в широком диапазоне, а также физико-механические и теплофизические свойства углерод-керамического композиционного материала (УККМ). Описаны результаты анализа пористой структуры и прочностных характеристик УУКМ на основе иглопробивной преформы с различными типами углеродных матриц (пироуглеродная, кокс натурального и синтетического пеков, кокс фенолформальдегидной смолы) и УККМ на их основе. В силу особенностей формирования углеродной матрицы из жидкой или газовой фаз наблюдается отличие по границам диапазонов пор. Углеродная матрица, сформированная газофазным методом, оставляет меньше наноразмерных пор в сравнении с матрицей, полученной жидкофазным методом. Установлено влияние структуры порового пространства и природы матричного углерода различных УУКМ на основе иглопробивных преформ на их степень насыщения расплавом кремния, глубину пропитки, а также определены механические свойства.

1. Тарабанов А.С., Костиков В.И. Силицированный графит. М.: Металлургия, 1977. 158 с.

2. Бушуев Ю.Г. Углерод-углеродные композиционные материалы. М.: Металлургия, 1994. 196 с.

3. Deborah D.L. Chung. Carbon composites: composites with carbon fibers, nanofibers, and nanotubes New York; Buffalo: Imprint Butterworth-Heinemann, 2017. 682 p. https://doi.org/10.1016/C2014-0-02567-1

4. Kumar S., Kumar A., Shukla A., Gupta A.K., Devi R. Capillary infiltration studies of liquids into 3D-stitched C—C preforms. Part A: Internal pore characterization by solvent infiltration, mercury porosimetry, and permeability studies. Journal of the European Ceramic Society. 2009;29(12):2643—2650. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2009.03.007

5. Niu Z., Li Z., Xiao P., Li J., Li Z., Ou-yang X., Li Y. Influence of h-BN as additive on microstructure and oxidation mechanism C/C-SiC composites. Journal of the European Ceramic Society. 2019;39(15):4634—4644. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.06.032

6. Швецов А.А. Исследование взаимодействия углерода с расплавом кремния в процессе получения силицированного графита: Дис. … канд. техн. наук. М.: РХТУ, 2019.

7. Zhang K.X., Guo X.S., Cheng Y.X., Zhang F.Q., He L.L. TEM study on the morphology and interface microstructure of C/C-SiC composites fabricated by liquid infiltration. Materials Characterization. 2021;175:1—7. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111055

8. Tong Y., Bai S., Liang X., Qin Q., Zhai J. Reactive melt infiltaration fabrication of C/C-SiC composites: Wetting and infiltration. Ceramics International. 2016;42(15):17174—17178. https://doi.org/1016/j.ceramint.2016.08.007

9. Кошелев Ю.И., Бубненков И.А., Швецов А.А., Бардин Н.Г. Силицированный графит: физико-химические основы получения и перспективы развития. Часть 2. Влияние структурных особенностей углеродных материалов на степень их взаимодействия с кремнием. Техника и технология силикатов. 2017;24(2):6—11. URL: https://www.researchgate.net/publication/320148525 (дата обращения: 05.03.2024).

10. Zhang Y., Xiao Z., Wang J., Yang J., Jin Z. Effect of pyrocarbon content in C/C preforms on microstructure and mechanical properties on the C/C-SiC composites. Materials Science and Engineering: A. 2009; 502(1-2):64—69. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.11.026

11. Tang J., Liu M., Wei Y., Yang Y., Huang Z. An efficient and low-cost liquid silicon infiltration method to prepare SiC-coated carbon short fiber for fiber protection of Cf/SiC ceramic matrix composites. Ceramics International. 2021;47(9):13235—13241. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.01.115

12. Тюрина С.А., Юдин Г.А., Дальская Г.Ю., Демин В.Л., Андреева С.А. Особенности структурообразования композиционного материала С—SiC в процессе инфильтрации углеродной основы жидким кремнием (LSI — Liquid Silicon Infiltration). Международный научно-исследовательский журнал. 2023;3(129):1—10. https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.129.24

13. Гаршин А.П., Кулик В.И., Нилов А.С. Анализ возникновения, характеристика и способы минимизации технологических дефектов в керамических композитах с SiC-матрицей, получаемых методом жидкофазного силицирования. Новые огнеупоры. 2019;(8):23—33. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-8-23-33

14. Шикунов С.Л. Новые подходы к получению высокотемпературных карбидокремниевых керамических материалов и изделий из них: Дис. … канд. техн. наук. Черноголовка: ИФТТ РАН, 2020.

15. Панин М.И., Гареев А.Р., Карпов А.П., Максимова Д.С., Корчинский Н.А. Анализ текстильных структур армирующих компонентов композиционных материалов и выбор областей их применения. Вестник МГТУ. Cер. Машиностроение. 2023;(2):15—28. https://doi.org/10.18698/0236-3941-2023-2-15-28

16. Колесников С.А., Максимова Д.С. Формирование физико-механических характеристик углерод-углеродных материалов при изостатической технологии получения углеродной матрицы. Известия вузов. Химия и химическая технология. 2018;61(11):50—61. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20186111.14

17. Tzeng S., Pan J. Densification of two-dimensional carbon/carbon composites by pitch impregnation. Materials Science and Engineering. 2001;316(1-2): 127—34. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01255-2

18. Casal E., Granda M., Bermejo J., Bonhomme J., Menéndez R. Influence of porosity on the apparent interlaminar shear strength of pitch-based unidirectional C—C composites. Carbon. 2001;39(1):73—82. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00085-3

19. Hue R., Wang Z., Zhang Z., Zhang N., Zhang Y., Xia H., Xiao Z., Wang J. Anisotropic tribological behavior of LSI based 2.5D needle-punched carbon fiber reinforced C/C-SiC composites. Ceramics International. 2022;48(15):21283—21292. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.04.071

20. Михеев П.В., Бухаров С.В., Лебедев А.К., Тащилов С.В. Моделирование схем пространственного армирования многослойных волокнистых преформ УУКМ. Успехи кибернетики. 2022;3(3):63—73. https://doi.org/10.51790/2712-9942-2022-3-3-7

21. Chao X., Qi L., Tian W., Hou X., Ma W., Li H. Numerical evaluation of the influence of porosity on bending properties of 2D carbon/carbon composites. Composites Part B: Engineering. 2017;(136):72—80. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.10.027

22. Chaoa X., Qia L., Tiana W., Lub Y., Lib H. Potential of porous pyrolytic carbon for producing zero thermal expansion coefficient composites: A multi-scale numerical evaluation. Composite Structure. 2020;(235): 111819. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111819

23. Папкова М.В., Магнитский И.В., Тащилов С.В., Дворецкий А.Э. Определение характеристик пироуглеродной матрицы в углерод-углеродных композиционных материалах. Известия вузов. Химия и химическая технология. 2021;64(5):44—49. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216405.6352

24. Магнитская М.В., Магнитский М.В., Тащилов С.В., Цветков Д.А. Влияние высокотемпературной обработки на механические характеристики углеродуглеродных композиционных материалов на основе пироуглеродной матрицы. Вестник ПНИПУ. Механика. 2022;(4):5—12. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2022.4.01

25. Ильющенко А.Ф., Прохоров О.А., Кривуленко Н.В. Повышение эффективности уплотнения в технологиях изготовления высокоплотных углерод-углеродных композиционных материалов. Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2022;66(5): 544—551. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2022-66-5-544-551

26. Dang A., Li H., Zhao T., Xiong C., Zhuang Q., Shang Y., Chen X., Ji X. Preparation and pyrolysis behavior of modified coal tar pitch as C/C composites matrix precursor. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2016;(119):18—23. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2016.04.002

27. Ren C.Q., Li T.H., Lin Q.L., Li H., Sun X.Y. Preparation of carbon materials by modeling of impregnating coal-tar pitch into carbon preform. Journal of Materials Processing Technology. 2006;172(3):424—430. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.11.003

28. Тимофеев П.А. Формирование матриц композиционных материалов из карбидов, нитридов и боридов кремния методом пиролиза полимерных прекурсоров: Дис. … канд. техн. наук. М.: МИСИС, 2017.