一種陶瓷基復(fù)合材料致密化的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種陶瓷基復(fù)合材料快速致密化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫、強(qiáng)度高、密度低、抗腐蝕和低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異的性能，已成為航空、航天等耐熱部件、高強(qiáng)度部件最具潛力的新型復(fù)合材料之一。采用化學(xué)氣相滲透(CVI)工藝在制備陶瓷基復(fù)合材料時，不可避免的會殘留10?15%的孔隙，為了得到致密的陶瓷基復(fù)合材料，必須進(jìn)行多爐次的CVI致密化處理，費(fèi)時費(fèi)力、運(yùn)行成本較高。而且，由于陶瓷基復(fù)合材料(如碳纖維和SiC基體)的熱膨脹系數(shù)不同，復(fù)合材料內(nèi)部會產(chǎn)生大量的微小裂紋，如果不進(jìn)行表面致密化處理，孔隙和微小裂紋的存在會影響復(fù)合材料的力學(xué)及耐高溫性能，耐高溫長壽命的應(yīng)用也受到限制。
[0003]專利申請?zhí)枴癈N200610091393.7”介紹了一種碳/碳復(fù)合材料基碳化硅涂層及其制備方法，該方法采用不同百分含量的硅粉、碳粉、碳化硅粉與氧化硼混合粉混合成包埋粉料，然后將復(fù)合材料包埋在石墨坩禍中，采用真空爐加熱1500°C燒制碳化硅涂層。這種粉體包埋法制備碳/碳復(fù)合材料不但對粉料浪費(fèi)較大，而且熔融的粉料會粘接復(fù)合材料，給后續(xù)加工帶來困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)制備致密的碳化硅涂層時，致密化周期長、成本高、費(fèi)時費(fèi)力(CVI)，以及對粉體浪費(fèi)大、不利于清理(RMI)等問題，本發(fā)明提供一種陶瓷基復(fù)合材料致密化的制備方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案:
[0006]—種陶瓷基復(fù)合材料快速致密化的制備方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0007]I)使用涂刷的方法對陶瓷基復(fù)合材料表面進(jìn)行初級致密
[0008]1.1)制備表面涂刷漿料
[0009]a)將Si粉與碳化硅晶須按質(zhì)量比為2:8?4:6加入球磨罐，用蒸餾水進(jìn)行混合形成混合液，將混合液烘干形成表面涂刷粉料；
[0010]b)制備表面涂刷膠液
[0011]將聚乙烯醇與蒸餾水按質(zhì)量比為1:1?3:2混合均勻，形成表面涂刷膠液；
[0012]c)將表面涂刷膠液加入到表面涂刷粉料中，混合均勻形成表面涂刷漿料；
[0013]1.2)用表面涂刷漿料涂刷陶瓷基復(fù)合材料的工件表面；
[0014]1.3)將陶瓷基復(fù)合材料工件烘干；
[0015]1.4)打磨陶瓷基復(fù)合材料工件，如有表面缺陷重復(fù)步驟1.2)-1.3);
[0016]2)將表面合格的陶瓷基復(fù)合材料工件通過表面碳化硅涂層沉積進(jìn)行二級致密。
[0017]上述表面涂刷粉料和表面涂刷膠液的質(zhì)量比為:2:3?3:2混合。
[0018]上述步驟a)中的Si粉與碳化硅晶須的混合是球磨混合。
[0019]上述步驟b)中聚乙烯醇與蒸餾水的混合是利用磁力攪拌器攪拌混合的，混合溫度70?90°C，攪拌器轉(zhuǎn)速為3?4轉(zhuǎn)/秒，攪拌時間為50?100分鐘;攪拌后，進(jìn)行10?15分鐘超聲波分散處理，制成表面涂刷膠液。
[0020]上述步驟c)中，表面涂刷膠液與表面涂刷粉料是通過磁力攪拌器進(jìn)行攪拌混合的，攪拌器轉(zhuǎn)速為3?4轉(zhuǎn)/秒，攪拌時間為50?100分鐘，制成表面涂刷漿料。
[0021]上述1.2)具體為:
[0022]1.2.1)用銼刀打磨陶瓷基復(fù)合材料工件表面，去除表面浮渣及顆粒，然后清洗及烘干工件；
[0023]1.2.2)使用毛刷蘸取漿料，均勻涂刷到表面，總共涂刷3?4次，每次涂刷完畢后停頓5?8分鐘再刷下一次，保證復(fù)合材料表面完全覆蓋。
[0024]上述步驟1.3)的烘干條件為:烘箱溫度為150?200°C，烘干時間為5?10小時。
[0025]上述步驟1.4)的打磨具體為:
[0026]先用100#或200#型號粗砂紙打磨工件表面至局部露纖維，然后分別使用1000#、1500#及2000#型號細(xì)砂紙打磨工件表面至光滑，無凹坑、突起、孔洞等缺陷。
[0027]上述步驟1.5)表面碳化硅涂層沉積具體為:
[0028]先將工件升溫到1000?1200°C后保溫4?6小時，然后再通入反應(yīng)氣體進(jìn)行表面碳化硅涂層沉積;沉積爐抽真空至I?5kPa，以流量為4?10L/min的Ar氣作為保護(hù)氣體，流量為4?10L/min的H2氣作為三氯甲基硅烷的載氣氣體，沉積時間為60?100小時。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是:
[0030]1、采用表層涂刷粉體漿料并高溫?zé)Y(jié)+表面沉積碳化硅涂層相結(jié)合的方法，在復(fù)合材料表面制備致密的碳化硅層，可以極大地提高陶瓷基復(fù)合材料致密化速率，縮短工藝周期，提高了高溫防氧化性能。本方案中制備的條形式樣(三維針刺)致密化所需爐次為8?9爐，而未刷漿料部分需要12爐次以上才能表面致密化。
[0031]2、本發(fā)明采用涂刷的方法進(jìn)行初級致密，這種方法對粉體浪費(fèi)極小，而且也不會影響到后續(xù)加工。
[0032]3、采用本發(fā)明制備的陶瓷基復(fù)合材料碳化硅涂層表面平整致密，高溫氧化失重約為1.99%，無燒結(jié)+碳化硅涂層的復(fù)合材料同等環(huán)境下氧化失重率約為4.68%。
【附圖說明】
[0033]圖1未致密化的復(fù)合材料表面形貌；
[0034]圖2致密化的復(fù)合材料表面形貌；
[0035]圖3致密化和未致密化的復(fù)合材料表面形貌對比；
[0036]圖4熔融粉體堵塞孔洞凹坑的表面形貌；
[0037]圖5致密化前后復(fù)合材料表面形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0039]實(shí)施例1
[0040](a)分別稱取質(zhì)量百分比為30%的Si粉，質(zhì)量百分比為70%的碳化硅晶須，置于瑪瑙球磨罐中，加入蒸餾水進(jìn)行10小時左右的球磨混合處理，將混合液取出烘干制成表面涂刷的粉料；
[0041](b)分別稱取質(zhì)量百分比為60%的聚乙烯醇，質(zhì)量百分比為40%的蒸餾水，加熱到80°C，用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌器轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)/秒，攪拌時間為60分鐘，然后進(jìn)行15分鐘超聲波分散處理，制成表面涂刷膠液；
[0042](c)將步驟(b)制備的膠液倒入步驟(a)的粉料中，然后用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌器轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)/秒，攪拌時間為60分鐘，制成表面涂刷漿料；
[0043](d)用銼刀打磨工件表面，去除表面浮渣及顆粒，然后清洗及烘干復(fù)合材料。使用毛刷蘸取漿料，均勻涂刷到表面，總共涂刷3次，每次涂刷完畢后停頓5分鐘再刷下一次，保證復(fù)合材料表面完全覆蓋；
[0044](e)將步驟(d)的復(fù)合材料放入烘箱中，烘箱溫度為180°C，烘干時間為5小時；
[0045](f)將步驟(e)的復(fù)合材料取出，先用100#或200#型號粗砂紙打磨工件表面至局部露纖維，然后分別使用1000#、1500#及2000#型號細(xì)砂紙打磨工件表面至光滑，無凹坑、突起、孔洞等缺陷。如有缺陷，重復(fù)步驟(d)?(f)直到無缺陷。
[0046](g)將步驟(f)的工件放入化學(xué)氣相沉積爐(簡稱CVD)中，升溫到1100°C后保溫5小時，然后再通入反應(yīng)氣體進(jìn)行表面碳化硅涂層沉積。沉積爐抽真空至lkPa，以流量為8L/min的Ar氣作為保護(hù)氣體，流量為8L/mir^^H2氣作為三氯甲基硅烷的載氣氣體，沉積時間為70小時。
[0047]采用本實(shí)施例1制備的陶瓷基復(fù)合材料包括粉體燒結(jié)層和CVD碳化硅涂，兩層相互作用提高產(chǎn)品的高溫抗氧化能力。根據(jù)熱氧化失重實(shí)驗(yàn)結(jié)果:沒涂層復(fù)合材料在700°C有氧高溫下，保溫1h后，氧化失重4.68%;有燒結(jié)涂層和CVD涂層的復(fù)合材料，在同樣狀態(tài)下，氧化失重1.99%。因此，本方案制備的陶瓷基復(fù)合材料碳化硅涂層，在高溫氧化環(huán)境中的氧化失重率比沒有涂層的復(fù)合材料的氧化失重率要小2倍以上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種陶瓷基復(fù)合材料快密化的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)使用涂刷的方法對陶瓷基復(fù)合材料表面進(jìn)行初級致密 1.1)制備表面涂刷漿料 a)將Si粉與碳化硅晶須按質(zhì)量比為2:8?4:6加入球磨罐，用蒸餾水進(jìn)行混合形成混合液，將混合液烘干形成表面涂刷粉料； b)制備表面涂刷膠液 將聚乙烯醇與蒸餾水按質(zhì)量比為1:1?3:2混合均勻，形成表面涂刷膠液； c)將表面涂刷膠液加入到表面涂刷粉料中，混合均勻形成表面涂刷漿料； 1.2)用表面涂刷漿料涂刷陶瓷基復(fù)合材料的工件表面； 1.3)將陶瓷基復(fù)合材料工件烘干； 1.4)打磨陶瓷基復(fù)合材料工件，如有表面缺陷重復(fù)步驟1.2)-1.3); 2)將表面合格的陶瓷基復(fù)合材料工件通過表面碳化硅涂層沉積進(jìn)行二級致密。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基復(fù)合材料致密化的制備方法，其特征在于: 所述表面涂刷粉料和表面涂刷膠液的質(zhì)量比為:2: 3?3: 2混合。3.根據(jù)權(quán)利I或2所述的陶瓷基復(fù)合材料致密化的制備方法，其特征在于: 步驟a)中的Si粉與碳化硅晶須的混合是球磨混合。4.根據(jù)權(quán)利I或2所述的陶瓷基復(fù)合材料致密化的制備方法，其特征在于: 步驟b)中聚乙烯醇與蒸餾水的混合是利用磁力攪拌器攪拌混合的，混合溫度70?90°C，攪拌器轉(zhuǎn)速為3?4轉(zhuǎn)/秒，攪拌時間為50?100分鐘;攪拌后，進(jìn)行10?15分鐘超聲波分散處理，制成表面涂刷膠液。5.根據(jù)權(quán)利I或2所述的陶瓷基復(fù)合材料致密化的制備方法，其特征在于:步驟c)中，表面涂刷膠液與表面涂刷粉料是通過磁力攪拌器進(jìn)行攪拌混合的，攪拌器轉(zhuǎn)速為3?4轉(zhuǎn)/秒，攪拌時間為50?100分鐘，制成表面涂刷漿料。6.根據(jù)權(quán)利I所述的陶瓷基復(fù)合材料致密化的制備方法，其特征在于: 所述1.2)具體為: 1.2.1)用銼刀打磨陶瓷基復(fù)合材料工件表面，去除表面浮渣及顆粒，然后清洗及烘干工件； 1.2.2)使用毛刷蘸取漿料，均勻涂刷到表面，總共涂刷3?4次，每次涂刷完畢后停頓5?8分鐘再刷下一次，保證復(fù)合材料表面完全覆蓋。7.根據(jù)權(quán)利I所述的陶瓷基復(fù)合材料致密化的制備方法，其特征在于: 步驟I.3)的烘干條件為:烘箱溫度為150?200°C，烘干時間為5?10小時。8.根據(jù)權(quán)利I所述的陶瓷基復(fù)合材料致密化的制備方法，其特征在于: 步驟1.4)的打磨具體為: 先用100#或200#型號粗砂紙打磨工件表面至局部露纖維，然后分別使用1000#、1500#及2000#型號細(xì)砂紙打磨工件表面至光滑，無凹坑、突起、孔洞等缺陷。9.根據(jù)權(quán)利I所述的陶瓷基復(fù)合材料致密化的制備方法，其特征在于: 步驟1.5)表面碳化硅涂層沉積具體為: 先將工件升溫到1000?1200°C后保溫4?6小時，然后再通入反應(yīng)氣體進(jìn)行表面碳化硅涂層沉積;沉積爐抽真空至I?5kPa，以流量為4?10L/min的Ar氣作為保護(hù)氣體，流量為4? lOL/min的H2氣作為三氯甲基硅烷的載氣氣體，沉積時間為60?100小時。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種陶瓷基復(fù)合材料快速致密化的制備方法，其特點(diǎn)包括以下步驟：將硅粉、碳化硅晶須(質(zhì)量百分比為20％～40％:60％～80％)置于瑪瑙球磨罐中球磨處理；將聚乙烯醇(PVA)和蒸餾水(質(zhì)量百分比為50％～60％:40％～50％)倒入到干凈的容器中，在70～90℃恒溫?cái)嚢柰耆芙饽z液；然后將PVA膠液和球磨粉料胺1:1～3質(zhì)量比混合攪拌均勻，采用毛刷將漿料均勻的涂覆在復(fù)合材料表面，放入150～200℃烘箱中烘干5～10h，然后打磨平整，最后放入化學(xué)氣相沉積(CVD)爐內(nèi)在1000～1200℃保溫4～6小時后，沉積碳化硅涂層。該方法制備的陶瓷基復(fù)合材料可以快速填充孔洞和凹坑等缺陷，提高了表面平整度。同時，在高溫環(huán)境下可以極大地提高復(fù)合材料高溫氧化性能。
【IPC分類】C04B41/89
【公開號】CN105541415
【申請?zhí)枴緾N201510940628
【發(fā)明人】成來飛, 馮鋒, 左新章, 鄔國平, 馬玉潔, 劉夢珠
【申請人】西安鑫垚陶瓷復(fù)合材料有限公司
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月15日