Карбіди— це з’єднання вуглецю з металами (MeC). Вони відрізняються високою температурою плавлення або розкладання. Найбільше використання у техніці здобули карбіди титану TіC і карбід кремнію SіC. Карбід титану використовують головним чином для виготовлення жаростійких матеріалів, деталей в реактивній техніці, а також деяких виробів для атомних реакторів та в інших випадках. Карбід кремнію SiC найбільш широко використовують в ряді областей техніки завдяки великій твердості (абразиви), вогнетривкості та специфічним електрофізичним властивостям. Дані о властивостях SiC наведені нижче.
Густина в г/см³ ………………………………………… 3,21
Твердість по мінералогічній шкалі ………………9,2—9,5
Мікротвердість в кг/см² ………………………3000—4500
Поріг міцності в кг/см²: при стисканні перпендикулярно оптичній осі…22500 при згинанні …………………………………………1550
Теплопровідність виробів із рекристалізованого карбіду кремнію при 200-1400 ºC в кал/см·сек·град …………………0,04
Коефіцієнт термічного розширення в інтервалі температур 20-1000 ºC град-1 ……………………5.2·10-6
Величина та характер зміни електроопору в області температур до 1500 ºС, а також висока стійкість до окислення при тривалій дії високих температур обумовили використання карбіду кремнію як матеріал для електронагрівних опорів.
Окрім виготовлення нагрівних елементів та нелінійних опорів карбід кремнію використовують як конструкційний матеріал для ракетної техніки. Однак перед цим проводилася тривала дослідницька робота, яка була направлена на отримання густого беспористого карборунду. Такий матеріал в СРСР та за кордоном був отриманий. Його відносна густина складає 0,95-0,98, поріг міцності при стисканні 10000-14000 кГ/см².[6].
3. Особливості технології виробництва високотемпературної ізоляції
Виробництвом високотемпературної ізоляції займається багато фірм та с часом технології виробництва удосконалюються. Цим пояснюється велика кількість запропонованих способів виробництва високотемпературної ізоляції для космічних апаратів, ракет та надзвукових літаків. Розглянемо деякі з них.
Виготовляються легковажні високотемпературні керамічні теплоізоляційні блоки з низькою теплопровідністю, високою міцністю методом формування виробів з стільниковою структурою з високотемпературного матеріалу. Формування заготівок робиться шляхом поперемінного з’єднання гофрованих та плоских листів, для одержання яких використовують волокна із Al2O3, SiO2, C, ZrO2, Si3N4, SiC, нитковидні кристали SiC, Si3N4 з послідуючим опалом. На отриманий виріб наноситься керамічне високотемпературне покриття.[7]. При нанесенні покриття методом хімічного осадження із газової фази при вигоранні ісходні матеріали розчинюються в палаючих органічних розчинниках (ксилолі або толуолі), розчин розпилюють за допомогою окислюючого газу, наприклад, повітря, у вигляді аерозоля навкруги пропанової горілки, в результаті чого трапляється його загорання. Вироби, на які повинно бути нанесене покриття помішають в (або) рядом з полум’ям та витримують на протязі часу, достатнього для нанесення покриття потрібної товщини.
Застосовується композиційний матеріал зі SiC зміцненим волокном Nicalon, Nextel та С з ортотропним та квазіізотропним розміщенням волокон, котрий отримується методом пропитки формованих заготівок із волокна хімічним осадженням із газової фази. Після обробки на протязі 100 хвилин при температурі 1500ºС композиційний матеріал, зміцнений волокном Nicalon, відрізнявся незначною зміною маси та відсутністю зміни морфологічних характеристик поверхні. На поверхні кордону розділу волокно/ матриця утворився вуглецеподібний шар. Втрата маси композиційних матеріалів, зміцнених волокном Nextel, з ортотропним розміщенням волокон при температурі 1100ºС склала 2,04·107 г/(см²·с). [8].
Конструкційний керамічний композиційний матеріал, складений з 30-60 об.% вуглецевих волокон, 10-55 об.% матриці з SiC та C при їх масовому співвідношенні від 20:1 до 2:1 та 5-40 об.% відкритих та закритих пор, на який наносять багатошарове захисне покриття, має такі властивості: ρ=<2.3 г/см³, максимальна температура застосування 1600ºС, σрозт>200 МПа (без крихкого руйнування), стійкий в кислій атмосфері (на повітрі). При температурі 20-1600ºС на протязі не менше 50 годин, може витримувати без руйнування не менше 100 термоударів. Перший шар цього покриття товщиною 20-150 мкм складається з одного або декількох з’єднань, що містять Si, C, B, O2, другий шар товщиною 50-250 мкм — із боридів та (або) силіцидів перехідних металів в комбінації з SiC, SiO2 або SiOC, третій шар товщиною 20-250 мкм— з одного або декількох з’єднань типа SiO2, SiC, MoSi2, Zr2B, Si3N4, ZrO2, Y2O, Al2O3, Al2O3·SiO2 та інших.
Все більший попит має автоматизована технологія нанесення багатошарових високотемпературних захисних покриттів з використанням випромінювання СО2-лазера з оптикою з Ge та комп’ютерним сканером. Лазерним променем нарізають заготівки потрібного розміру, котрі після цього приварюють променем до наступного шару з послідуючим вирізанням заготівок потрібної форми. З отриманих 28-шарових корундових заготівок на органічному та неорганічному зв’язуючому та з нанесеним спеціальним тимчасовим покриттям на силіконовій основі. Такий матеріал є також перспективним і в автомобільній галузі. [9].Технологія нанесення покриття на волокна для композиційних матеріалів з керамічною матрицею шляхом хімічного осадження із газової фази (SiC) та золь-гель технологія (TiO2, Nb2O5) дозволяє використовувати високотемпературні покриття без окислення до 1482ºС.[10].
Висновок
Галузь виробництва високотемпературної ізоляції для космічних кораблів ще тільки розвивається, в цій сфері є величезний обсяг роботи, тому це дуже прибуткова діяльність особливо для тих компаній, які не тільки запропонували, а і займаються виробництвом високотемпературної ізоляції, котрих в наш час поки ще не багато. В ході розвитку цієї галузі по мірі вдосконалення технологій виробництва буде знижуватись вартість та підвищуватись якість продуктів.
Література
1. Цитую по РЖХ №2 1994: (2М2. Специальная керамика-ключ к будущим технологиям. Advanced ceramics: a key to future technologies// Amer. Ceram. Soc. Bull..-1992.-71, №2.-с. 180-181.- Англ.)
10. Цитую по РЖХ №3 1994: (3M 64. Нанесение покрытий на волокна для композиционных материалов с керамической матрицей. Fiber coatings for ceramic matrix composites:[Dap.] 16th Annu. Conf. Compos. and Adv. Ceram. Mater., Cocoa Beach, Fla: Jan.7-10,1992/ Carpenter H.W.,Bohlen J.W.//Ceram. Eng.and Sci. Proc..-1992.-13,№7-8,Pt 1.-C.238-256.- Англ.)