專利名稱：連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及連續(xù)碳纖維增強的C-SiC 雙元基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料(在本文中有時也稱為C/C-SiC復(fù)合材料)， 除了具備耐高溫、高比強度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)以及優(yōu)異的高溫?zé)崃W(xué)穩(wěn)定性等一系列優(yōu)良性能外，還具有基體致密度高、耐熱震抗燒蝕、熱化學(xué)穩(wěn)定性好和對苛刻環(huán)境適應(yīng)性強等特性，是一種輕質(zhì)耐高溫的新型復(fù)合材料，在航空航天、先進能源系統(tǒng)、高溫?zé)峤粨Q系統(tǒng)及高性能制動系統(tǒng)等高溫技術(shù)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。
然而，目前的碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料及其制備方法仍有待改進。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是基于申請人的下列發(fā)現(xiàn)而完成的
目前的碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料制備方法，主要包括化學(xué)氣相浸潰法(Chemical Vapor Infiltration :CVI)、化學(xué)氣相浸潰法與聚合物浸潰裂解法(Polymer Infiltration Pyrolysis PIP)混合工藝，以及化學(xué)氣相浸潰法與液相娃熔滲(Liquid Silicon Infiltration LSI)法混合工藝。其中，采用CVI工藝制備復(fù)合材料，制備周期長， 且基體難以致密化。而另外兩種工藝也采用了 CVI方法，因此，同樣具有工藝復(fù)雜、制備周期長和基體難以致密化的問題。
本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種制備周期
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法包括以下步驟
(I)將選自BN粉和SiC粉的至少一種進行粉碎，以便得到粒度為40微米以下的細(xì)粉；
(2)將所得到的細(xì)粉與無水酒精進行混合，并在超聲下進行分散，再加入硼酚醛樹月旨，并加熱至30-50攝氏度，以便使得硼酚醛樹脂溶解，獲得漿料；
(3)將二維碳纖維布浸入得到的漿料中進行浸潰，并將經(jīng)過浸潰的二維碳纖維布依次進行干燥和第一固化處理，以便得到經(jīng)過包覆的二維碳纖維布，其中經(jīng)過包覆的二維碳纖維布包覆有選自BN粒子和SiC粒子的至少一種；
(4)利用飽和硼樹脂膠液，將經(jīng)過包覆的二維碳纖維布進行連續(xù)疊層，并對經(jīng)過疊層的二維碳纖維布依次進行真空處理和第二固化處理，以便得到碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體，其中，飽和硼樹脂膠液是通過將硼樹脂溶解于無水酒精中而得到的；
(5)將所得到的碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體在1000攝氏度以上的溫度下進行裂解，以便得到多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體，其中，裂解是在真空或氮氣環(huán)境下進行的；以及
(6)將上述得到的多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體埋在硅粉中，并在惰性氣體或真空環(huán)境中，于1500-1650攝氏度的溫度下保持預(yù)定時間，以便得到連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料。
發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明的制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的方法，能夠高效地制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料，并且制備工藝簡單、周期短、成本低、殘?zhí)悸矢撸@得的產(chǎn)品致密度高、碳纖維損傷小、抗氧化性能好、強韌性高、強度和應(yīng)變性能好、使用壽命長。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，本發(fā)明的制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的方法，能夠用于制備復(fù)雜形狀的復(fù)合材料構(gòu)件，以及改進復(fù)合材料構(gòu)件的基體性能，并且由于工藝簡單、成本低，而適于批量化生產(chǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(I)中，將選自BN粉和SIC粉的至少一種進行粉碎， 可以進一步包括將選自BN粉和SiC粉的至少一種與無水酒精混合后，于高能球磨機中進行分散和細(xì)化，以便獲得初級粉末，其中BN粉為亞微米級，SiC粉為納米級；將初級粉末于干燥箱中進行干燥處理，以便獲得干燥的粉末；以及將干燥的粉末進行研磨并使其分散，再利用400目的篩子進行過篩處理，以便獲得粒度為40微米以下的細(xì)粉。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(I)中，將細(xì)粉與無水酒精進行混合的比例不受特別限制。根據(jù)本發(fā)明的一些具體示例，可以將所得到的細(xì)粉與無水酒精按照重量比O. 02 O. I I，優(yōu)選O. I I進行混合。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(2)中，進行分散的設(shè)備不受特別限制，只要能夠使分散在在超聲下進行即可。根據(jù)本發(fā)明的一些具體示例，在超聲下進行分散是利用超聲波槽進行的。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(2)中，硼酚醛樹脂的形式不受特別限制。根據(jù)本發(fā)明的一些具體示例，硼酚醛樹脂 的是以硼酚醛樹脂與無水酒精的混合物的形式提供的，其中在硼酚醛樹脂與無水酒精的混合物中，硼酚醛樹脂與無水酒精的重量比為O. 25 I。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(3)中，第一固化處理是在200攝氏度以上的溫度下進行的，優(yōu)選在230攝氏度下進行。根據(jù)本發(fā)明的實施例，進行第一固化處理所需的時間并不受特別限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)具體情況來設(shè)置固化時間，例如可以通過預(yù)先實驗來確定固化時間。根據(jù)本發(fā)明的實施例，進行第一固化處理時間可以為至少5小時。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(4)中，飽和硼樹脂膠液中的硼樹脂與無水酒精的重量比為O. 8 I。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(4)中，將經(jīng)過包覆的二維碳纖維布進行連續(xù)疊層進一步包括將飽和硼樹脂膠液注入模具中；以及于注有飽和硼樹脂膠液的模具中將經(jīng)過包覆的二維碳纖維布進行連續(xù)疊層至20層，并保持約20分鐘，以便獲得經(jīng)過疊層的二維碳纖維布。需要說明的是，在本說明書中所采用的表達(dá)方式“將經(jīng)過包覆的二維碳纖維布進行連續(xù)疊層”是指，首先將第一層經(jīng)過包覆的二維碳纖維布浸入注有飽和硼樹脂膠液的模具中，待該層經(jīng)過包覆的二維碳纖維布浸透飽和硼樹脂膠液后，再將第二層經(jīng)過包覆的二維碳纖維布覆蓋其上，待第二層經(jīng)過包覆的二維碳纖維布浸透飽和硼樹脂膠液后，再覆蓋第三層，由此連續(xù)疊層，即可獲得經(jīng)過疊層的二維碳纖維布。并且經(jīng)過疊層的二維碳纖維布的厚度不受特別限制，可以根據(jù)實際試驗需要控制進行疊層的經(jīng)過包覆的二維碳纖維布的層數(shù)，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，優(yōu)選地，將經(jīng)過包覆的二維碳纖維布進行連續(xù)疊層至20 層。此外，對經(jīng)過疊層的二維碳纖維布進行真空處理，可以排除纖維束中的氣泡，由此可以利于飽和硼樹脂膠液充分浸入到經(jīng)過疊層的二維碳纖維布的纖維束中，從而能夠使基體密實化。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(4)中，依次在第一溫度和第二溫度下進行第二固化處理，其中第一溫度和第二溫度均在130攝氏度以上，且第一溫度低于第二溫度，優(yōu)選地，第一溫度和第二溫度分別為130攝氏度和180攝氏度。根據(jù)本發(fā)明的實施例，在第二溫度下的固化處理的時間可以大于在第一溫度下的固化處理的時間。根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，在130攝氏度進行固化處理5小時，在180攝氏度下進行固化處理進行20小時。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(5)中，進行裂解的條件不受特別限制，可以在1000 攝氏度以上的溫度下，于真空或氮氣環(huán)境中進行。根據(jù)本發(fā)明的一些具體示例，裂解是在氮氣環(huán)境中，于1200攝氏度下，以I. 5攝氏度/分鐘的升溫速度進行的。由此，能夠有效地獲得多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟￠)中，硅粉的粒度為75微米以下。因此，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，在進行步驟(6)之前，即將多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體埋在硅粉之前，可以進一步包括利用200目的篩子將硅粉進行過篩處理的步驟，以便獲得粒度小于75微米的硅粉。并且，需要說明的是，本發(fā)明的制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的方法中，所采用的硅粉為具有金屬光澤的市售硅粉。
此外，在步驟￠)中，將碳纖維增強的炭基復(fù)合材料多孔預(yù)制體埋在硅粉中，并在惰性氣體或真空環(huán)境中，于1500-1650攝氏度的溫度下保持預(yù)定時間，即將碳纖維增強的炭基復(fù)合材料多孔預(yù)制體進行液相硅熔滲，是為了使硅粉熔融并通過毛細(xì)力浸入到碳纖維增強的炭基復(fù)合材料多孔預(yù)制體的微裂紋和孔中，進而進入該微裂紋和孔中的熔融硅粉能夠快速地與碳纖維增強的炭基復(fù)合材料多孔預(yù)制體中的碳發(fā)生直接或擴散反應(yīng)，并形成 SiC基體，從而最終形成連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料。其中，根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟￠)中，于1500-1650攝氏度的溫度下保持的 預(yù)定時間不受特別限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實際實驗情況靈活掌握。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，預(yù)定時間可以為 30 90分鐘，優(yōu)選60分鐘。根據(jù)本發(fā)明的一個具體示例，將多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體埋在硅粉中后，可以在真空環(huán)境中，于1600攝氏度下保持60分鐘。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料。根據(jù)本發(fā)明的實施例，其是利用本發(fā)明的制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的方法制備獲得的。發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料產(chǎn)品致密度高、碳纖維損傷小、抗氧化性能好、強韌性高、強度和應(yīng)變性能好、使用壽命長，能夠有效地應(yīng)用于航空航天、先進能源系統(tǒng)、高溫?zé)峤粨Q系統(tǒng)及高性能制動系統(tǒng)等高溫技術(shù)領(lǐng)域。
需要說明的是，本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料及其制備方法，是本申請的發(fā)明人通過艱苦的創(chuàng)造性勞動和優(yōu)化的工作而完成的。
本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中
圖I顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的方法的流程示意圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的比較實施例，粒子包覆對碳纖維在高溫大氣環(huán)境下的抗氧化性能的影響實驗結(jié)果；
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的比較實施例，不同粒子包覆獲得的碳纖維增強的C-SiC 雙元基復(fù)合材料的力學(xué)性能比較實驗結(jié)果；
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的比較實施例，樹脂的種類對碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料在高溫大氣環(huán)境下的抗氧化性能的影響實驗結(jié)果；
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的BN粒子包覆的多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體的顯微結(jié)構(gòu)圖(500倍)；
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的BN粒子包覆的連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的斷面顯微結(jié)構(gòu)圖(250倍)；
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的SiC粒子包覆的多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體的顯微結(jié)構(gòu)圖(500倍)；以及
圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的SiC粒子包覆的連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的斷面顯微結(jié)構(gòu)圖(250倍)。
具體實施方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。另外，在實施例中所使用的材料和試劑，均為可以商業(yè)購得的。
一般方法
參考圖1，按照以下步驟制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料
(I)將亞微米的BN粉或納米SiC粉與無水酒精混合后放入高能球磨機后進行分散和細(xì)化，以便獲得初級粉末，然后將初級粉末于干燥箱中進行干燥處理，以便獲得干燥的粉末，并將干燥的粉末在瑪瑙研缽中進行研磨并使其分散，最后用400目的篩子進行過篩處理，以便得到粒度為40微米以下的細(xì)粉；
(2)將粒度為40微米以下的細(xì)粉與無水酒精按照重量比O. 02-0. I I進行混合， 經(jīng)充分?jǐn)嚢韬笤俜湃氲匠暡ú壑羞M行分散，再加入硼酚醛樹脂，并加熱至30-50攝氏度， 以便使得硼酚醛樹脂溶解，獲得漿料，其中，硼酚醛樹脂是以硼酚醛樹脂與無水酒精的混合物的形式提供的，并且在硼酚醛樹脂與無水酒精的混合物中，硼酚醛樹脂與無水酒精的重量比為O. 25 I ；
(3)將二維碳纖維布浸入所述漿料中進行浸潰，并將經(jīng)過浸潰的二維碳纖維布依次進行干燥和第一固化處理，以便得到經(jīng)過包覆的二維碳纖維布，其中，第一固化處理是在200攝氏度以上的溫度下進行的，經(jīng)過包覆的二維碳纖維布包覆有選自BN粒子和SiC粒子的至少一種；
(4)將飽和硼樹脂膠液注入模具中，然后于注有飽和硼樹脂膠液的模具中將經(jīng)過包覆的二維碳纖維布進行連續(xù)疊層至20層，并保持約20分鐘，以便獲得經(jīng)過疊層的二維碳纖維布，再對經(jīng)過疊層的二維碳纖維布依次進行真空處理和第二固化處理，以便得到碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體，其中，飽和硼樹脂膠液是通過將硼樹脂溶解于無水酒精中而得到的，并且飽和硼樹脂膠液中的硼樹脂與無水酒精的重量比為O. 8 1，而第二固化處理是依次在第一溫度和第二溫度下進行的，其中第一溫度和第二溫度均在130攝氏度以上，且第一溫度低于第二溫度；
(5)將碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體在1000攝氏度以上的溫度下，以 1-2. 5攝氏度/分鐘的升溫速度進行裂解，以便得到多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體，其中，裂解是在真空或氮氣環(huán)境下進行的；以及
(6)將多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體埋在經(jīng)過200目篩子過篩處理的硅粉中，并在惰性氣體或真空環(huán)境中，于1500-1650攝氏度的溫度下保持30-90分鐘，以便得到連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料。
比較實施例
(I)采用上述一般方法，分別利用BN粉和SiC粉制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料，并且以無粒子包覆制備的碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料作為對照， 以分析比較粒子包覆對碳纖維在在高溫大氣環(huán)境下的抗氧化性能的影響以及不同粒子包覆獲得的碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的力學(xué)性能差異，結(jié)果見圖2和圖3。其中，圖 2顯示了粒子包覆對碳纖維在在高溫大氣環(huán)境下的抗氧化性能的影響實驗結(jié)果，圖3顯示了不同粒子包覆獲得的碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的力學(xué)性能比較實驗結(jié)果。由圖2可知，在高溫氧化環(huán)境下，相對于無粒子包覆的碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料， 本發(fā)明的包覆BN粒子或SiC粒子的產(chǎn)品質(zhì)量損失少，表明包覆BN粒子或SiC粒子能夠改善碳纖維在高溫氧化環(huán)境下的抗氧化性能 ，提高材料的服役壽命。由圖3可知，相對于無粒子包覆的碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料，本發(fā)明的包覆BN粒子或SiC粒子的產(chǎn)品的彎曲應(yīng)變性能好，表明其強韌性好，這是因為利用BN粒子或SiC粒子包覆二維碳纖維布后， 在液相硅熔滲的過程中包覆層能夠有效隔離液相硅與碳纖維的的接觸，從而能夠減少液相硅對碳纖維表面的腐蝕損傷；另一方面，包覆的BN粒子或SiC粒子可以弱化纖維與基體的界面結(jié)合強度，從而能夠降低纖維與液相硅反應(yīng)生成SiC基體的化學(xué)結(jié)合，因此，與無粒子涂覆的纖維增強的復(fù)合材料相比，其強韌性得到了顯著提高。
(2)采用上述一般方法，制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料，并且， 將步驟(2)中的硼酚醛樹脂和步驟(4)中的硼樹脂均更換為普通樹脂并制備碳纖維增強的。C -SiC雙元基復(fù)合材料，作為對照，以比較樹脂的種類對碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料在高溫大氣環(huán)境下的抗氧化性能的影響，結(jié)果見圖4。圖4顯示了樹脂的種類對碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料在高溫大氣環(huán)境下的抗氧化性能的影響實驗結(jié)果。由圖 4可知，在高溫氧化環(huán)境下，相對于利用普通樹脂制備的碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料，本發(fā)明的利用硼改性樹脂制備的產(chǎn)品質(zhì)量損失少，殘?zhí)柯矢?，表明利用硼改性樹脂制備碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料能夠提高產(chǎn)品在高溫氧化環(huán)境下的抗氧化性能。
實施例I :
將高能球磨后的BN粉干燥并過篩后，按照重量比O. I I放入無水酒精中經(jīng)充分振蕩分散后，再加入硼酚醛樹脂(與酒精重量比為O. 25 1)，將以上混合物加熱到40°C并攪拌溶解，獲得BN樹脂漿料。將二維碳纖維布浸入到BN樹脂漿料中，待浸透后，將二維碳纖維布撈出干燥，并在230°C下進行第一固化，固化時間約為5個小時，以便獲得經(jīng)過BN粒子包覆的二維碳纖維布；然后將飽和硼樹脂膠液(硼樹脂溶于無水酒精，重量比為O. 8 I) 注入到模具中，再將經(jīng)過BN粒子包覆的二維碳纖維布放入到模具中疊層到20層并保持約 20分鐘，以便獲得經(jīng)過疊層的二維碳纖維布，再將其放入密閉容器中抽真空，然后分別在 130°C和180°C下進行第二固化處理，固化時間分別為5個小時和20個小時，以便得到碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體。將碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體在1200°C的氮氣環(huán)境下，以I. 5°C /min的升溫速度進行裂解，以便得到多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體。將多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體放入石墨坩堝中并埋入硅粉中(200目過篩處理)，然后在1600°C的真空環(huán)境下進行硅熔融滲透，保持60分鐘后隨爐冷卻，由此，得到連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料。
其中，圖5顯示了 BN粒子包覆的多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體的顯微結(jié)構(gòu)(500倍)。而最后獲得的連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的斷面顯微結(jié)構(gòu) (250倍)如圖6所示，從圖6中可以看到纖維從基體中拔出效果明顯，纖維表面比較光滑。 并且，從上面所描述的圖3中可知，BN粒子包覆的連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料，其強度可達(dá)到88. 4MPa，對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)镺. 43%，明顯優(yōu)于單相陶瓷和無粒子涂覆纖維復(fù)合材料的強度和應(yīng)變(最大強度為64. 7MPa，對應(yīng)應(yīng)變?yōu)镺. 37% )，表明纖維表面BN粒子涂覆可有效降低液相硅對C纖維的腐蝕，能夠?qū)-SiC雙元基復(fù)合材料起到明顯的增韌效果。
實施例2
將高能球磨后的SiC納米粉干燥并過篩后，按照重量比O. I I放入無水酒精中經(jīng)充分振蕩分 散后，再加入硼酚醛樹脂(與酒精重量比為O. 25 I)，將以上混合物加熱到 50°C并攪拌溶解，獲得SiC樹脂漿料。將二維碳纖維布浸入到SiC樹脂漿料中，待浸透后， 將二維碳纖維布撈出干燥，并在230°C下進行第一固化，固化時間約為5個小時，以便獲得經(jīng)過SiC粒子包覆的二維碳纖維布；然后將飽和硼樹脂膠液(硼樹脂溶于無水酒精，重量比為0.8 I)注入到模具中，再將經(jīng)過SiC粒子包覆的二維碳纖維布放入到模具中疊層到20層并保持約20分鐘，以便獲得經(jīng)過疊層的二維碳纖維布，再將其放入密閉容器中抽真空，然后分別在130°C和180°C下進行第二固化處理，固化時間分別為5個小時和20個小時，以便得到碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體。將碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體在1200°C的氮氣環(huán)境下，以I. 5°C /min的升溫速度進行裂解，以便得到多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體。將多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體放入石墨坩堝中并埋入硅粉中(200目過篩處理)，然后在1600°C的真空環(huán)境下進行硅熔融滲透，并保持60分鐘后隨爐冷卻，由此，得到連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料。
其中，圖7顯示了 SiC粒子包覆的多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體的顯微結(jié)構(gòu)(500倍)。而最后獲得的連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的斷面顯微結(jié)構(gòu) (250倍)如圖8所示，從圖8中可以看到纖維從基體中拔出效果非常明顯，纖維拔出長度約為20微米，纖維表面沒有明顯的損傷。并且，從上面所描述的圖3中可知，SiC粒子包覆的連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料，其強度可達(dá)到99. 8MPa，最大應(yīng)變?yōu)镺. 46%，明顯優(yōu)于單相陶瓷和無粒子涂覆纖維復(fù)合材料的強度和應(yīng)變(最大強度為64. 7MPa，對應(yīng)應(yīng)變?yōu)镺. 37%)，表明纖維表面SiC粒子涂覆可有效隔離液相硅與碳纖維表面的接觸，從而能夠弱化液相硅對碳纖維的腐蝕，同時能夠降低纖維與基體之間的界面結(jié)合強度，從而提高連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的強韌性。
在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等 同物限定。
權(quán)利要求
1.ー種制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)將選自BN粉和SiC粉的至少ー種進行粉碎，以便得到粒度為40微米以下的細(xì)粉； (2)將所得到的細(xì)粉與無水酒精進行混合，并在超聲下進行分散，再加入硼酚醛樹脂，并加熱至30-50攝氏度，以便使得所述硼酚醛樹脂溶解，獲得漿料； (3)將ニ維碳纖維布浸入所述漿料中進行浸潰，并將經(jīng)過浸潰的ニ維碳纖維布依次進行干燥和第一固化處理，以便得到經(jīng)過包覆的ニ維碳纖維布，其中所述經(jīng)過包覆的ニ維碳纖維布包覆有選自BN粒子和SiC粒子的至少ー種； (4)利用飽和硼樹脂膠液，將所述經(jīng)過包覆的ニ維碳纖維布進行連續(xù)疊層，并對經(jīng)過疊層的ニ維碳纖維布依次進行真空處理和第二固化處理，以便得到碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體，其中，所述飽和硼樹脂膠液是通過將硼樹脂溶解于無水酒精中而得到的； (5)將所述碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體在1000攝氏度以上的溫度下，以1-2. 5攝氏度/分鐘的升溫速度進行裂解，以便得到多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體，其中，所述裂解是在真空或氮氣環(huán)境下進行的；以及 (6)將所述多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體埋在硅粉中，并在惰性氣體或真空環(huán)境中，于1500-1650攝氏度的溫度下保持預(yù)定時間，以便得到所述連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(I)中，所述將選自BN粉和SIC粉的至少ー種進行粉碎，進ー步包括 將所述選自BN粉和SiC粉的至少ー種與無水酒精混合后，于高能球磨機中進行分散和細(xì)化，以便獲得初級粉末，其中所述BN粉為亞微米級，所述SiC粉為納米級； 將所述初級粉末于干燥箱中進行干燥處理，以便獲得干燥的粉末；以及 將所述干燥的粉末進行研磨并使其分散，再利用400目的篩子進行過篩處理，以便獲得粒度為40微米以下的細(xì)粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(I)中，將所得到的細(xì)粉與無水酒精按照重量比O. 02 O. I 1，優(yōu)選O. I I進行混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(2)中，所述在超聲下進行分散是利用超聲波槽進行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(2)中，所述硼酚醛樹脂是以硼酚醛樹脂與無水酒精的混合物的形式提供的，其中在所述硼酚醛樹脂與無水酒精的混合物中，所述硼酚醛樹脂與所述無水酒精的重量比為O. 25 I。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(3)中，所述第一固化處理是在100攝氏度以上的溫度下進行的，優(yōu)選在130攝氏度下進行。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(4)中，所述飽和硼樹脂膠液中的所述硼樹脂與所述無水酒精的重量比為O. 8 I。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(4)中，將所述經(jīng)過包覆的ニ維碳纖維布進行連續(xù)疊層進ー步包括 將所述飽和硼樹脂膠液注入模具中；以及 于注有所述飽和硼樹脂膠液的模具中將所述經(jīng)過包覆的ニ維碳纖維布進行連續(xù)疊層至20層，并保持約20分鐘，以便獲得經(jīng)過疊層的ニ維碳纖維布， 任選地，在步驟(4)中，依次在第一溫度和第二溫度下進行所述第二固化處理，其中所述第一溫度和所述第二溫度均在100攝氏度以上，且所述第一溫度低于所述第二溫度，優(yōu)選地，所述第一溫度和所述第二溫度分別為130攝氏度和180攝氏度。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(5)中，所述裂解是在氮氣環(huán)境中，于1200攝氏度下，以I. 5攝氏度/分鐘的升溫速度進行的， 任選地，在步驟出)中，所述硅粉的粒度為75微米以下， 任選地，在步驟出)中，所述預(yù)定時間為30 90分鐘，優(yōu)選60分鐘， 任選地，在步驟出)中，在真空環(huán)境中，于1600攝氏度下保持60分鐘。
10.一種連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料，其是通過權(quán)利要求I所述的制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料的方法所獲得的。
全文摘要
本發(fā)明涉及連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料及其制備方法。其中，該方法包括(1)粉碎BN粉或SiC粉；(2)將所得到的細(xì)粉與無水酒精進行混合、分散、加入硼酚醛樹脂并加熱，獲得漿料；(3)將二維碳纖維布浸入得到的漿料中進行浸漬，以便得到經(jīng)過包覆的二維碳纖維布；(4)利用飽和硼樹脂膠液，將經(jīng)過包覆的二維碳纖維布進行連續(xù)疊層，得到碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體；(5)將碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料素坯體進行裂解，得到多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體；(6)將多孔碳纖維增強的炭基復(fù)合材料預(yù)制體埋在硅粉中，以便得到連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料。利用該方法，能夠有效地制備連續(xù)碳纖維增強的C-SiC雙元基復(fù)合材料。
文檔編號C04B35/80GK102976756SQ201210115638
公開日2013年3月20日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者沙建軍, 胥明, 吳國強 申請人:安徽眾星新材料有限公司