專利名稱：C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的低溫制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無機(jī)非金屬材料的制備工藝，尤其涉及一種C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的制備方法。
技術(shù)背景C/SiC陶瓷基復(fù)合材料是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的，它是繼碳-碳復(fù)合材 料之后發(fā)展起來的新型材料。C/SiC陶瓷基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量好、尺寸穩(wěn)定性好、優(yōu)良的抗疲勞和抗蠕變性等優(yōu)點(diǎn)，主要用于航空航天、化工、能源等領(lǐng)域。目前，C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的制備方法主要有泥漿浸滲法、先驅(qū)體浸漬裂解法 (Precursor Infiltration and Pyrolysis， PIP)、熔融浸滲工藝、化學(xué)氣相滲透/沉積工藝 (Chemical Vapor Infiltration and Deposition, CVI/CVD)和反應(yīng)燒結(jié)等。其中，PIP工藝 和CVI/CVD工藝應(yīng)用比較廣泛。綜合所有這些工藝， 一個顯著的共同點(diǎn)是制備溫度都在 110(TC以上。而針對高室壓液體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室，金屬材料燃燒室及其再生冷卻己不 能滿足要求，采用帶金屬冷卻管道結(jié)構(gòu)的陶瓷作為燃燒室材料，便是一種滿足高室壓大 熱流燃燒室要求的方案，這就要求發(fā)展陶瓷和金屬的一體化成型和制備技術(shù)。另外，高 超音速飛行器為了提高氣動性能，往往設(shè)計(jì)尖銳前緣，飛行器溫度高于200(TC，熱流密 度大，現(xiàn)有材料不能滿足要求，采用陶瓷耐高溫預(yù)埋金屬冷卻管道實(shí)現(xiàn)主動冷卻是解決 上述問題的首選方案，該方案也要求實(shí)現(xiàn)陶瓷和金屬的一體化成型技術(shù)。而一般金屬的 熔點(diǎn)不高于100(TC，因此必須采用低于100(TC的低溫C/SiC復(fù)合材料制備工藝。然而， 單純地降低制備溫度，并不能得到性能優(yōu)良的復(fù)合材料。例如，簡單移植PIP工藝，將 復(fù)合材料的制備溫度降低到800 1000'C，獲得的復(fù)合材料力學(xué)性能很差(如彎曲強(qiáng)度小 于100MPa，不能滿足工程應(yīng)用要求)。采用CVI/CVD工藝，將沉積/滲透溫度降低到800 IOO(TC，則滲透速率大大下降，制備周期可能會從原來的2 3個月延長到6 12個月， 而纖維長時間處于高溫，也容易受到更嚴(yán)重的損傷，不僅不經(jīng)濟(jì)而且材料性能變差。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝設(shè)備要求簡單、能 耗小、成本低、制備周期較短且所獲產(chǎn)品性能優(yōu)異的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的低溫制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的低溫 (主要制備溫度《100(TC)制備方法，包括以下步驟(1) 碳纖維預(yù)處理將碳纖維預(yù)制件或碳布置于高溫真空爐中，抽真空后快速升溫 至1000 1800°C，保溫l 5h后降溫；(2) 真空浸漬將預(yù)處理后的碳纖維預(yù)制件或碳布放入浸漬罐，抽真空后加入SiC 的先驅(qū)體溶液，浸漬2 10h后取出自然晾干；(3) 高溫裂解將真空浸漬后的碳纖維預(yù)制件或碳布置于裂解爐中，在惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)下快速升溫至800 100(TC，保溫0.5 2h后降溫；(4) 致密化將高溫裂解后的碳纖維預(yù)制件或碳布再周期性重復(fù)上述真空浸漬-高溫裂解過程10 15個周期，制得致密化的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料。上述碳纖維預(yù)處理中快速升溫的速率為10 2(TC/min,整個碳纖維預(yù)處理的升溫、 保溫過程保持真空度在30Pa以下，降溫過程在惰性氣體或氮?dú)夥諊伦匀唤禍?。上述真空浸漬過程中保持真空度低于100Pa，所述SiC的先驅(qū)體溶液為質(zhì)量比 1 : (0.5 2.5)的聚碳硅垸(PCS) 、 二甲苯(xylene)的混合溶液。上述高溫裂解過程中，快速升溫以前先抽真空至1000Pa以下并通入惰性氣體或氮?dú)猓?整個高溫裂解的升溫、保溫及自然降溫過程均采用高純惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)。上述高溫裂解過程中快速升溫的機(jī)制為在惰性氣體或氮?dú)饬鲃訝顟B(tài)下以10 20°C/min的升溫速率進(jìn)行升溫。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明對低溫制備工藝進(jìn)行了工藝改進(jìn)，其優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)在(1) 獲得的復(fù)合材料性能優(yōu)異，本發(fā)明技術(shù)制備的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性 能，其中三維編織復(fù)合材料的室溫彎曲強(qiáng)度大于600MPa，斷裂韌性大于20MPann1/2， 二 維碳布疊層復(fù)合材料的室溫彎曲強(qiáng)度大于300MPa，斷裂韌性大于15MPa*m1/2; (2)對生 產(chǎn)設(shè)備的要求簡單，本發(fā)明的工藝設(shè)備主要有真空浸漬裝置、高溫真空爐、裂解爐(使 用溫度100(TC)等，特別是裂解爐，由于使用溫度低于1000'C， 一般的電阻絲型電阻爐 即可滿足要求，這和石墨爐相比，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉；(3)本發(fā)明方法的裂解溫度低 于現(xiàn)有技術(shù)中的裂解溫度，能耗大幅度降低，成本也相應(yīng)減??；(4)制備周期短本發(fā) 明的生產(chǎn)工藝制備復(fù)合材料的周期一般不超過30天。與傳統(tǒng)高溫制備工藝相比，開展 C/SiC復(fù)合材料的低溫制備工藝，不僅可以實(shí)現(xiàn)金屬與陶瓷一體化復(fù)合成型，而且可以節(jié) 約能源，降低成本。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l一種三維C/SiC陶瓷基(3D-C/SiC)復(fù)合材料的低溫制備方法，包括以下步驟1、 碳纖維預(yù)處理將碳纖維預(yù)制件(三維五向編織，纖維體積分?jǐn)?shù)53.1%)置于高 溫真空爐中，抽真空至真空度低于30Pa后開始加熱，升溫速率為20'C/min，升溫至160(TC 后保溫lh，自然降溫，降溫過程通惰性氣體；2、 真空浸漬將PCS、 xylene按質(zhì)量配比l : l配制成均勻的先驅(qū)體溶液，把預(yù)處理 后的碳纖維預(yù)制件放入浸漬罐，先抽真空至真空度低于100Pa，關(guān)閉真空泵后加入 PCS/xylene先驅(qū)體溶液，保持2h，然后取出自然晾干10h;3、 高溫裂解將上述晾干后的碳纖維預(yù)制件在裂解爐中進(jìn)行裂解，氮?dú)獗Ｗo(hù)下以 10。C/min的升溫速率升溫至90(TC，保溫lh，氮?dú)獗Ｗo(hù)下自然降溫；4、 致密化將裂解后的碳纖維預(yù)制件重復(fù)進(jìn)行上述真空浸漬 高溫裂解工藝14個周 期，獲得致密化的三維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料。上述方法制得的三維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的密度為1.70g/cm3，彎曲強(qiáng)度為 657.76MPa，斷裂韌性22.53MPaTn"2。對比實(shí)施例l一種三維C/SiC陶瓷基(3D-C/SiC)復(fù)合材料的低溫制備方法，包括以下步驟1、 真空浸漬將PCS、 xylene按質(zhì)量配比l : l配制成均勻的先驅(qū)體溶液，把碳纖維 預(yù)制件(三維五向編織，纖維體積分?jǐn)?shù)53.1%)放入浸漬罐，先抽真空至真空度低于100Pa, 關(guān)閉真空泵后加入PCS/xylene溶液，保持2h，然后取出自然晾干10h;2、 高溫裂解將上述晾干后的碳纖維預(yù)制件在裂解爐中進(jìn)行裂解，氮?dú)獗Ｗo(hù)下以 1(TC/min的升溫速率升溫至90(TC，保溫lh，氮?dú)獗Ｗo(hù)下自然降溫；3、 致密化將裂解后的碳纖維預(yù)制件重復(fù)進(jìn)行上述真空浸漬 高溫裂解工藝15個周 期，獲得致密化的三維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料。上述方法制得的三維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的密度為1.69g/cm3，彎曲強(qiáng)度為 70.90MPa，斷裂韌性2.99MPa'm172。由上可見，和對比實(shí)施例相比，本發(fā)明的實(shí)施例l制備的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料力學(xué) 性能有了極大的改進(jìn)，可以滿足工程應(yīng)用要求。實(shí)施例2一種三維C/SiC陶瓷基(3D-C/SiC)復(fù)合材料的低溫制備方法，包括以下步驟1、 碳纖維預(yù)處理將碳纖維預(yù)制件(三維五向編織，纖維體積分?jǐn)?shù)53.1%)置于高 溫真空爐中，抽真空至真空度低于30Pa后開始加熱，升溫速率為2(TC/min，升溫至120(TC 后保溫2h，自然降溫，降溫過程通惰性氣體；2、 本步驟同實(shí)施例1的步驟2;3、 高溫裂解將上述晾干后的碳纖維預(yù)制件在裂解爐中進(jìn)行裂解，氮?dú)獗Ｗo(hù)下以1(TC/min的升溫速率升溫至100(TC，保溫lh，氮?dú)獗Ｗo(hù)下自然降溫；4、 致密化將裂解后的碳纖維預(yù)制件重復(fù)進(jìn)行上述真空浸漬 高溫裂解工藝15個周 期，獲得致密化的三維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料。上述方法制得的三維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的密度為1.72g/cm3,彎曲強(qiáng)度為 620.50MPa，斷裂韌性23.40MPa'm"2。實(shí)施例3一種二維C/SiC陶瓷基(2D-C/SiC)復(fù)合材料的低溫制備方法，包括以下步驟1、 碳纖維預(yù)處理將碳纖維布疊層預(yù)制件(纖維體積分?jǐn)?shù)47.1%)置于高溫真空爐 中，抽真空至真空度低于30Pa后開始加熱，升溫速率為20'C/min，升溫至120(TC后保溫 2h，自然降溫，降溫過程通惰性氣體；2、 本步驟同實(shí)施例1的步驟2;3、 本步驟同實(shí)施例1的步驟3;4、 本步驟同實(shí)施例2的步驟4。上述方法制得的二維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的密度為1.76g/cm3,彎曲強(qiáng)度為 329.61MPa，斷裂韌性15.65MPa'm"2。
權(quán)利要求
1、一種C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的低溫制備方法，包括以下步驟(1)碳纖維預(yù)處理將碳纖維預(yù)制件或碳布置于高溫真空爐中，抽真空后快速升溫至1000～1800℃，保溫1～5h后降溫；(2)真空浸漬將預(yù)處理后的碳纖維預(yù)制件或碳布放入浸漬罐，抽真空后加入SiC的先驅(qū)體溶液，浸漬2～10h后取出自然晾干；(3)高溫裂解將真空浸漬后的碳纖維預(yù)制件或碳布置于裂解爐中，在惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)下快速升溫至800～1000℃，保溫0.5～2h后降溫；(4)致密化將高溫裂解后的碳纖維預(yù)制件或碳布再周期性重復(fù)上述真空浸漬-高溫裂解過程10～15個周期，制得致密化的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的低溫制備方法，其特征在于所述 碳纖維預(yù)處理中快速升溫的速率為10 20°C/min,整個碳纖維預(yù)處理的升溫、保溫過程 保持真空度在30Pa以下，降溫過程在惰性氣體或氮?dú)夥諊伦匀唤禍亍?br> 3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的低溫制備方法，其特征在于所述 真空浸漬過程中保持真空度低于100Pa，所述SiC的先驅(qū)體溶液為質(zhì)量比1 : (0.5 2.5) 的聚碳硅垸、二甲苯的混合溶液。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的低溫制備方法，其特征在于在高 溫裂解過程中，快速升溫以前先抽真空至1000Pa以下，整個高溫裂解的升溫、保溫及自 然降溫過程均采用惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的低溫制備方法，其特征在于所述 高溫裂解過程中快速升溫的機(jī)制為在惰性氣體或氮?dú)饬鲃訝顟B(tài)下以10 20'C/min的升溫 速率進(jìn)行升溫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的低溫制備方法，該方法利用有機(jī)聚合物先驅(qū)體的低溫陶瓷化特性，以碳纖維為增強(qiáng)體，采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝，通過碳纖維預(yù)處理、真空浸漬、高溫裂解、致密化等工藝步驟，在低溫條件下制備得到C/SiC陶瓷基復(fù)合材料。通過該方法制備的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，相比于傳統(tǒng)陶瓷基復(fù)合材料制備工藝，本發(fā)明的方法不僅降低了制備溫度，簡化了工藝設(shè)備，而且減小了成本，縮短了制備周期。
文檔編號C04B35/80GK101224988SQ20081003055
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者周長城, 張玉娣, 張長瑞, 曹英斌, 胡海峰 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)