научная статья по теме СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ОРГАНОИТТРИЙОКСАНАЛЮМОКСАНСИЛОКСАНОВ Химия

Текст научной статьи на тему «СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ОРГАНОИТТРИЙОКСАНАЛЮМОКСАНСИЛОКСАНОВ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2014, том 50, № 6, с. 686-691

УДК 547.256.2'26-001.8+666.3

СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ОРГАНОИТТРИЙОКСАНАЛЮМОКСАНСИЛОКСАНОВ

© 2014 г. Г. И. Щербакова*, Т. Л. Апухтина*, М. С. Варфоломеев*, Д. В. Сидоров*,

А. И. Драчев*, Г. Ю. Юрков**

*Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений, Москва e-mail: eos2004@inbox.ru **Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова, Москва e-mail: gy_yurkov@mail.ru Поступила в редакцию 28.10.2013 г.

На основе растворимых в органических растворителях органоиттрийоксаналюмоксансилоксанов приготовлены связующие и пленкообразующие композиции, которые использованы для получения защитных высокотемпературных антиокислительных покрытий состава xY2O3 • yAl2O3 • zSiO2 на углеродных и карбидокремниевых волокнах [1].

DOI: 10.7868/S0002337X14060177

ВВЕДЕНИЕ

Перспективным методом поверхностной защиты углеродных и карбидокремниевых волокон является создание стеклокерамических защитных покрытий, составы которых относятся к системе У2Оз-А12Оз-8Ю2. Интерес к данной системе обусловлен тем, что основные фазы, кристаллизующиеся в системе У2Оз-А12Оз-8Ю2, обладают нужными эксплуатационными характеристиками: высокими температурами плавления, низкими значениями термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР), близкими к ЛКТР карбида кремния [2-5].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

По методике, описанной в патенте [6], приготовлены пленкообразующие композиции и связующие на основе органоиттрийоксаналюмок-сансилоксанов общей формулы:

[(Ä**0)sY(0H)( Or]k • [Al(OÄ)i(OÄ*)x(OH)Py]m

(I)

• [(ЕЮ^Ю],,

где к, т,р = 3-12; ж + I + 2г = 3; I + х + 2у + г = 3; Я - С„Н2„ + 1, п = 2-4; Я* - С(СИЗ)=СИС(О)ОСпН2П + 1; Я** - С(СИз)=СИС(О)СИз.

Получение оксидных покрытий осуществлялось двумя способами.

Способ 1. Нанесение полимерного покрытия на керновые и бескерновые карбидокремниевые волокна осуществлялось методом окунания во-

локна (или пучка волокон) в пленкообразующие композиции - растворы органоиттрийоксаналю-моксансилоксанов в толуоле с концентрацией 2.0-4.0 мас. % и заданным мольным отношением У: А1: 81. Наносили от 1 до 5 слоев. Каждый слой отверждали при комнатной температуре в воздушной атмосфере и влажной среде. Затем волокна с отвержденными покрытиями подвергали термообработке.

Способ 2. Получение защитных оксидных покрытий из керамической суспензии, приготовленной тщательным перемешиванием огнеупорного наполнителя и органоиттрийоксаналюмоксанси-локсанового связующего, которое представляет собой раствор в толуоле (концентрация 25.030.0 мас. %) органоиттрийоксаналюмоксансилок-сана с заданным мольным отношением У : А1 : 81. В качестве огнеупорного наполнителя использовалась смесь мелкодисперсных порошков: оксида иттрия У2Оз (ТУ 48-4-524-90); электрокорунда а-А1203 (ГОСТ 3647-80); плавленого кварца 8Ю2 (ТУ 41-07-009-83) с добавками мелкодисперсного алюминиевого порошка марки АСД-4 (ТУ 48-5-22682). Приготовление керамической суспензии проводили тщательным перемешиванием ее компонентов в соотношении связующее : наполнитель = = 1 : 1 или 1 : 1.5. Формирование защитного керамического покрытия на пучке углеродных волокон (образец) проводили путем окунания образца в керамическую суспензию. Для уменьшения дефектности наносили многослойные покрытия (2-3 слоя). Отверждение покрытия проводили при комнатной температуре в воздушной атмосфере и влажной среде.

(а)

(б)

N 1500

1000

500

C

(в)

Элемент Содержание, мас. %

С 100

J_I_I_I_L.

0 1 2 3 4 5

Е, кэВ

Рис. 1. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности (а, б) и элементный состав пучка углеродных волокон без покрытия (в).

N 1500

10 мкм 1000

500

(д)

i

Si

Al

uJ

Элемент Содержание, мас. %

С 11.30

O 24.51

Al 05.61

Si 35.44

Y 23.14

0 1 2 3 4 5

Е, кэВ

Рис. 2. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности (а—г) и элементный состав пучка углеродных волокон с покрытием У2<Эз-А120з-8Ю2 (д).

O

Y

Термообработку (пиролиз) карбидокремние-вых (керновых и бескерновых) волокон с отвер-жденными покрытиями и пучка углеродных волокон с отвержденными покрытиями из керамической суспензии проводили в электропечи сопротивления СНОЛ 12/16 при 1500-1600°С в атмосфере воздуха с выдержкой в течение 30—60 мин.

Изучение морфологии поверхности и элементного состава исходных углеродных и карбидокрем-ниевых волокон, а также волокон с оксидными покрытиями проводили на электронном сканирующем микроскопе Philips SEM505, оснащенном энергодисперсионным детектором SAPHIRE Si(Li) тип SEM10 и системой захвата изображения Micro Capture SEM3.0M, а также с использованием сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM 6380 LA (напряжение 20 кВ), совмещенного с энергодисперсионной системой (ЭДС).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Связующие на основе органоиттрийоксана-люмоксансилоксанов использовали для приготовления керамических суспензий, которые наносили на пучки углеродных волокон. Отверждение покрытия проводили в камере с высокой влажностью, термообработку (пиролиз) защитных оксидных покрытий проводили в окислительной среде при 1600°С (выдержка 1 ч) в корундовых тиглях, в засыпке (порошок корунда). Полученные образцы имели стекловидную поверхность, морфологию и химический состав которой исследовали с помощью СЭМ с ЭДС.

Морфология поверхности и элементный состав пучка исходных углеродных волокон приведены на рис. 1, а углеродных волокон с оксидным покрытием — на рис. 2.

688

ЩЕРБАКОВА и др.

(а)

(б)

N 12000 10000 8000 6000 4000 2000

(в)

Коэффициент аппроксимации 0.2093

с. Элемент Е, кэВ С, мас. % I О К 0.525 43.84 I А1К 1.486 0.46 И К 1.739 49.74 У Е 1.922 5.95 Общ. 100.00

А1 У

0 0.8 1.6 2.4 3.2 4.0 Е, кэВ

016

О

Рис. 3. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности (а, б) и элементный состав (в) бескерновых (а) и керновых (б) НС-волокон с покрытием состава У2О3—А12О3—8Ю2.

Рис. 4. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности бескерновых НС-волокон с покрытием состава У2О3—А12О3—8Ю2 — 1 слой, 2 мас. %: а — торец волокна, б, в — поверхность волокна.

Рис. 5. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности бескерновых НС-волокон с покрытием состава У2О3—А12О3—8Ю2 — 1 слой, 4 мас. %: а — торец волокна, б, в — поверхность волокна.

На микрофотографиях СЭМ (рис. 2а—2г) углеродных волокон с защитным слоем из У2О3—А12О3— НО2, пиролизованных в атмосфере воздуха при 1600°С, видно, что защитный оксидный слой имеет хорошую адгезию, т.е. плотно ложится на углеродные волокна. Состав покрытия после пиролиза в атмосфере воздуха при 1600°С приведен на рис. 2д.

Таким образом, поверхностное защитное оксидное покрытие на основе органоиттрийоксана-люмоксансилоксанов позволяет повысить термостойкость углеродных волокон в окислительной атмосфере выше 1500°С. Для сравнения необходимо отметить, что термостойкость незащищенных углеродных волокон в окислительной атмосфере менее 500°С [2].

Пленкообразующие композиции — растворы органоиттрийоксаналюмоксансилоксанов в толуоле с концентрацией 2.0—4.0 мас. % и заданным

мольным отношением У : А1 : И — наносили по способу 1. Волокна с отвержденными покрытиями подвергали термообработке в окислительной атмосфере при температуре 1500°С (выдержка 30 мин). В результате получали одно- или многослойное стеклокерамическое покрытие У2О3—А12О3—8Ю2.

Изучение морфологии поверхности и элементного состава защитных покрытий на НС-волокнах после термообработки методом СЭМ с ЭДС показало образование плотного, беспористого, равномерного покрытия как на бескерновых, так и на керновых НС-волокнах (рис. 3).

Методом СЭМ детально исследована морфология торцевой и фронтальной поверхностей бескерновых НС-волокон с покрытием У2О3—А12О3—8Ю2 (рис. 4—13). Поверхность всех покрытий ровная, гладкая, без дефектов и имеет хорошую адгезию с поверхностью карбидокремниевого волокна. С увеличением количества слоев, наносимых на во-

Рис. 6. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности бескерновых 8Ю-волокон с покрытием состава У20з—А120з—8Ю2 — 2 слоя, 2 мас. %: а — торец волокна, б, в — поверхность волокна.

(а) 1 мкм (б^^^н!0 мкм (в) , 1 мкм ,

Рис. 7. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности бескерновых 8Ю-волокон с покрытием состава У20з—А120з—8Ю2 — 2 слоя, 4 мас. %: а — торец волокна, б, в — поверхность волокна.

Рис. 8. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности бескерновых 8Ю-волокон с покрытием состава У20з—А120з—8Ю2 — 3 слоя, 2 мас. %: а — торец волокна; б, в — поверхность волокна.

Рис. 9. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности бескерновых 8Ю-волокон с покрытием состава У20з—А120з—8Ю2 — 3 слоя, 4 мас. %: а — торец волокна, б, в — поверхность волокна.

Рис. 10. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности бескерновых 8Ю-волокон с покрытием состава У203—А1203—8Ю2 — 4 слоя, 2 мас. %: а — торец волокна, б, в — поверхность волокна.

690

ЩЕРБАКОВА и др.

Рис. 11. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности бескерновых НС-волокон с покрытием состава У2О3—А12О3—НО2 — 4 слоя, 4 мас. %: а — торец волокна, б, в — поверхность волокна.

Рис. 12. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности бескерновых НС-волокон с покрытием состава У2О3—А12О3—НО2 — 5 слоев, 2 мас. %: а — торец волокна; б, в — поверхность волокна.

Рис. 13. СЭМ с ЭДС: фотографии поверхности бескерновых НС-волокон с покрытием состава У2О3—А12О3—НО2 — 5 слоев, 4 мас. %: а — торец волокна, б, в — поверхность волокна.

локна карбида кремния, толщина покрытий изменяется незначительно. Это объясняется тем, что каждый последующий слой уплотняет предыдущий, заполняя трещины и поры. Толщина покрытий варьируется от 0.4 до 2 мкм.

Необходимо отметить, что на образце НС-волокна с покрытием в 5 слоев, 4 мас. % (рис. 13), по результатам СЭМ, видно образование структуры, идентичной алюмоиттриевому гранату [7].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что растворы в органических растворителях органоиттрийоксаналюмоксансилоксанов эффективны в качестве связующих и пленкообразующих композиций для получения защитных высокотемпературных антиокислительных покрытий

состава хУ2О3 • уА12О3 • гНО2 на углеродных и карби-докремниевых волокнах.

Доказано, что поверхностное защитное оксидное покрытие на основе органоиттрийоксаналю-моксансилоксанов позволяет повысить термостойк

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»