一种低氧含量的连续碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种低氧含量的连续碳化硅纤维增强Ni‑Al/SiCp陶瓷基复合材料的制备方法。以低氧含量的碳化硅纤维预制体为增强骨架，以SiCp为主要基体，以Al合金和Ni粉为增塑相；具体地，将碳化硅粉、铝合金粉、镍粉、铬粉与分散剂混合球磨；将针刺成形的预制体放入石墨烧结模具中，且预制体上下表面均铺置混合粉末，之后进行高温真空浸渗，得到预成形样品后进行预氧化处理；重复以上步骤，直到相邻两次预成形样品的增重小于1％，从而获得致密的陶瓷基复合材料。本发明专利技术制备的碳化硅纤维增强Ni‑Al/SiCp陶瓷基复合材料微观组织均匀、结构致密、界面结合良好，强度和断裂韧性都有很大提高，且高温抗氧化、抗腐蚀性能良好。

Preparation method of low oxygen content continuous silicon carbide fiber reinforced Ni-Al/SiCp ceramic matrix composite

The invention relates to a preparation method of low oxygen content continuous silicon carbide fiber reinforced Ni_Al/SiCp ceramic matrix composite. Silicon carbide fiber preform with low oxygen content as reinforcing skeleton, SiCp as main matrix, Al alloy and Ni powder as plasticizing phase, in particular, silicon carbide powder, aluminum alloy powder, nickel powder, chromium powder and dispersant were mixed by ball milling; needle punched preform was put into graphite sintering mould, and the upper and lower surfaces of the preform were paved and mixed. The precomposition samples were obtained by high temperature vacuum infiltration and then pre-oxidized. The above steps were repeated until the weight gain of adjacent precomposition samples was less than 1%. The silicon carbide fiber reinforced Ni_Al/SiCp ceramic matrix composite prepared by the invention has uniform microstructure, compact structure, good interface bonding, high strength and fracture toughness, and good oxidation resistance and corrosion resistance at high temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种低氧含量的连续碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料的制备方法
本专利技术涉及SiCf/SiC陶瓷基复合材料领域，具体涉及一种低氧含量的连续碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料的制备方法。
技术介绍
SiCf/SiC陶瓷基复合材料因其优异的抗氧化性能，能够满足航空发动机长时间使用、轻质、耐高温要求而备受关注，成为高推重比发动机的首选材料。然而在航空发动机中，燃料的燃烧会产生大量的腐蚀性产物，如高温、高压水蒸气、熔盐杂质(Na、Cl、S等碱盐)等，因此SiCf/SiC陶瓷基复合材料在燃气环境中存在着熔盐腐蚀和水蒸气腐蚀问题。利用CVI制备的SiCf/SiC陶瓷基复合材料，制备原材料三氯甲基硅烷具有强烈的腐蚀性，高度易燃，原料有效利用率低，而且三氯甲基硅烷对皮肤和眼睛具有刺激性，制备过程中排放的尾气对环境有污染；且CVI法制备的SiCf/SiC复合材料具有工艺制备周期长，成本高的缺点。而在先驱体聚碳硅烷浸渍裂解工艺(PIP)制备SiCf/SiC复合材料过程中存在碳化硅纤维损伤严重的问题；而且制备原材料聚碳硅烷的成本相对较高，溶解剂二甲苯易燃、具有刺激性气味。Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料具有热膨胀系数小、热导率高、尺寸稳定性好、高比强度、耐磨和耐腐蚀性优良等优点，在航空、航天结构件、汽车构件等方面将有着广阔的应用空间，是潜在应用前景最广的材料之一。仇宁等在1150～1350温度范围内发现铝合金液对SiC具有良好的润湿性能，将不同细度的SiC粉末制作成坯体，不经过热处理而直接在铝合金液表面上进行氧化，可获得近网状增强SiC/Al2O3/Al-Si合金复合材料。该材料具有优良的耐腐蚀抗冲刷性能及最优的高温稳定性和机械性能。SiC陶瓷纤维以其耐高温、抗氧化、耐腐蚀、防老化以及力学性能优良等特性而广泛地应用于导弹、航天、原子能等高
有机聚合物先驱体转化法制备SiC陶瓷纤维，是陶瓷基复合材料研究领域的热点。碳化硅纤维的生产已实现了工业化，但是碳化硅纤维实际应用温度与理论应用温度之间存在着很大的差距。目前的Nicalon型碳化硅纤维能够在1200℃的高温下使用，但是各高
对于使用温度和环境的要求越来越苛刻，这一温度仍然不能达到要求。国外RachmanC等对碳化硅纤维的研究表明，导致其高温力学性能下降的根本原因是氧的存在。氧在纤维内部与Si和C形成无定型的Si—C—O结构，高温下纤维发生逸出小分子的热分解反应，一方面打断了纤维的链结构，使得分子链变短，链与链间的连接被破坏；另一方面导致纤维发生明显失重，表面和内部产生了多孔的结构缺陷。基于此，寻求一种新型的陶瓷基复合材料的制备方法显得极其重要。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术旨在提供一种低氧含量的连续碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料的制备方法。本专利技术提供的Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料，具有优异的高温抗氧化和抗腐蚀性能，有效克服了传统SiCf/SiC陶瓷基复合材料发动机环境下基体氧化腐蚀的问题。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案为：第一方面，本专利技术提供一种陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：S101：选用强度高、硬度大、韧性好、含氧量低的碳化硅纤维，使用三维针刺技术进行针刺成形，以碳化硅纤维平面方向增强，结合碳化硅网胎作为层间填充，逐层增加，逐层针刺，得到碳化硅纤维叠层三维针刺预制体；S102：采用去离子水淘洗SiC粉体，直至去离子水完全澄清，将淘洗后的SiC粉体进行干燥；将干燥后的SiC粉体进行高温预氧化，使得表面形成致密的SiO2层，然后冷却至室温；将Ni粉、铝合金粉末、分散剂与氧化处理后的SiC粉体混合均匀，之后真空干燥，得到混合粉料；S103：将碳化硅纤维叠层三维针刺预制体超声清洗后烘干，采用真空无压浸渗法，将针刺成形的预制体放入石墨烧结模具中，且在预制体上下表面均铺置预设厚度的混合粉料；之后加入Cr粉添加剂，并使铬粉与S102中混合粉末均匀的将针刺成形的预制体浸没包埋，使其均匀接触，然后进行高温真空浸渗，将高温真空浸渗后的产物冷却到室温，脱模，得到碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料预成形样品；S104：将S103得到的预成形样品进行预氧化处理，然后打磨、洗涤后干燥，得到预氧化的碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料预成形样品；S105：将S104得到的预成形样品再次放入石墨烧结模具中，重复S103和S104的操作，直至相邻两次预成形样品的增重小于1％，最终得到致密的连续碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料。优选地，S101中：碳化硅纤维叠层三维针刺预制体密度为0.2～0.6g/cm3，针刺密度为5～45针/cm2，层间密度为1～20层/10mm；强度高、硬度大、韧性好、含氧量低的碳化硅纤维具体为：Si含量为56～60wt％，C含量为30～40wt％，O含量为3～5wt％，平均直径为10～15μm，拉伸强度为2～3GPa，杨氏模量200～240Gpa。优选地，S102中：采用去离子水淘洗SiC粉体具体包括：将SiC粉体在去离子水中超声处理15～30min，随后静置10～25min，去除悬浮于去离子水中细小的SiC颗粒，过滤并收集固相，之后重复淘洗3～5次；且淘洗后的SiC粉体中，SiC粉体平均粒径为14～30μm，纯度>99.9％；将淘洗后的SiC粉体在110℃～120℃下干燥10～15h；高温预氧化具体包括：将干燥后的SiC于800～850℃下高温焙烧0.5h～1.5h，之后于280℃～310℃保温3～5h；真空干燥的温度为40～50℃，时间为10～15h。优选地，S102中：将Ni粉、铝合金粉末、分散剂与氧化处理后的SiC粉体于高能球磨机混合均匀；其中，SiC粉体、Ni粉和铝合金粉末的质量比依次为(50～70)：(10～15)：(30～50)，球磨转速为300～450r/min，时间为8～10h；铝合金粉末的粒径为10～20μm，且铝合金成分中Si含量为7～15％，Mg含量为6～10％，余量为Al；Ni粉的粒径为40～50μm，纯度>99.9％。优选地，球磨过程中，磨球为Al2O3硬质合金，直径为6～15mm；其中，粉料：磨球：分散剂＝1:(3～6):(0.8～1.2)，分散剂为聚乙二醇与乙醇的混合液，且聚乙二醇与乙醇的混合液中，聚乙二醇的质量分数为3％～5％。优选地，S103中：预设厚度为6～10mm，Cr粉添加剂的加入量为1～5％，并使铬粉与S102中混合粉末均匀的将针刺成形的预制体浸没包埋，使其均匀接触；高温真空浸渗具体包括：在绝对真空度为5～50pa的高温真空炉中，充以氮气保护，在1100～1350℃下浸渗，保温2～2.5h，使Al合金熔融渗透到预制体中；将高温真空浸渗后的产物冷却到室温具体为：温度高于900℃时，降温冷却速率为3～5℃/min；之后在900℃保温30min，随后以5～10℃/min的降温速率冷却至室温。优选地，浸渗过程中，升温速率为5～15℃/min，氮气的流速为60～120mL/min。优选地，S104中：预氧化处理于管式炉中进行，具体条件包括：将预成形样品放入管式炉中，升温至66本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：选用强度高、硬度大、韧性好、含氧量低的碳化硅纤维，使用三维针刺技术进行针刺成形，以碳化硅纤维平面方向增强，结合碳化硅网胎作为层间填充，逐层增加，逐层针刺，得到碳化硅纤维叠层三维针刺预制体；S102：采用去离子水淘洗SiC粉体，直至去离子水完全澄清，将淘洗后的SiC粉体进行干燥；将所述干燥后的SiC粉体进行高温预氧化，使得表面形成致密的SiO2层，然后冷却至室温；将Ni粉、铝合金粉末、分散剂与氧化处理后的SiC粉体混合均匀，之后真空干燥，得到混合粉料；S103：将所述碳化硅纤维叠层三维针刺预制体超声清洗后烘干，采用真空无压浸渗法，将针刺成形的预制体放入石墨烧结模具中，且在预制体上下表面均铺置预设厚度的所述混合粉料；之后加入Cr粉添加剂，进行高温真空浸渗，将高温真空浸渗后的产物冷却到室温，脱模，得到碳化硅纤维增强Ni‑Al/SiCp陶瓷基复合材料预成形样品；S104：将所述S103得到的预成形样品进行预氧化处理，然后打磨、洗涤后干燥，得到预氧化的碳化硅纤维增强Ni‑Al/SiCp陶瓷基复合材料预成形样品；S105：将所述S104得到的预成形样品再次放入石墨烧结模具中，重复所述S103和S104的操作，直至相邻两次预成形样品的增重小于1％，最终得到致密的连续碳化硅纤维增强Ni‑Al/SiCp陶瓷基复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：选用强度高、硬度大、韧性好、含氧量低的碳化硅纤维，使用三维针刺技术进行针刺成形，以碳化硅纤维平面方向增强，结合碳化硅网胎作为层间填充，逐层增加，逐层针刺，得到碳化硅纤维叠层三维针刺预制体；S102：采用去离子水淘洗SiC粉体，直至去离子水完全澄清，将淘洗后的SiC粉体进行干燥；将所述干燥后的SiC粉体进行高温预氧化，使得表面形成致密的SiO2层，然后冷却至室温；将Ni粉、铝合金粉末、分散剂与氧化处理后的SiC粉体混合均匀，之后真空干燥，得到混合粉料；S103：将所述碳化硅纤维叠层三维针刺预制体超声清洗后烘干，采用真空无压浸渗法，将针刺成形的预制体放入石墨烧结模具中，且在预制体上下表面均铺置预设厚度的所述混合粉料；之后加入Cr粉添加剂，进行高温真空浸渗，将高温真空浸渗后的产物冷却到室温，脱模，得到碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料预成形样品；S104：将所述S103得到的预成形样品进行预氧化处理，然后打磨、洗涤后干燥，得到预氧化的碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料预成形样品；S105：将所述S104得到的预成形样品再次放入石墨烧结模具中，重复所述S103和S104的操作，直至相邻两次预成形样品的增重小于1％，最终得到致密的连续碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料。2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：所述S101中：所述碳化硅纤维叠层三维针刺预制体密度为0.2～0.6g/cm3，针刺密度为5～45针/cm2，层间密度为1～20层/10mm；所述强度高、硬度大、韧性好、含氧量低的碳化硅纤维具体为：Si含量为56～60wt％，C含量为30～40wt％，O含量为3～5wt％，平均直径为10～15μm，拉伸强度为2～3GPa，杨氏模量200～240Gpa。3.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：所述S102中：所述采用去离子水淘洗SiC粉体具体包括：将SiC粉体在去离子水中超声处理15～30min，随后静置10～25min，过滤并收集固相，之后重复淘洗3～5次；且所述淘洗后的SiC粉体中，SiC粉体平均粒径为14～30μm，纯度>99.9％；将淘洗后的SiC粉体在110℃～120℃下干燥10～15h。4.根据权利要求1所述的陶瓷基复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，侯敏敏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11