一种纤维增强超高温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纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法，所述制备方法包括：1）采用含有纳米碳化锆和酚醛树脂的浆料浸渍纤维预制体，经固化-裂解或直接裂解后，获得含ZrC的纤维预成型体；2）以有机聚合物作为有机碳源前驱体浸渍含ZrC的纤维预成型体，裂解获得ZrC-C复合多孔中间体；3）以二硅化锆为硅源和锆源于1800-1950℃对所述多孔中间体进行熔渗，获得纤维增强超高温陶瓷基复合材料。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，所述制备方法包括：1）采用含有纳米碳化锆和酚醛树脂的浆料浸渍纤维预制体，经固化-裂解或直接裂解后，获得含ZrC的纤维预成型体；2）以有机聚合物作为有机碳源前驱体浸渍含ZrC的纤维预成型体，裂解获得ZrC-C复合多孔中间体；3）以二硅化锆为硅源和锆源于1800-1950℃对所述多孔中间体进行熔渗，获得纤维增强超高温陶瓷基复合材料。【专利说明】
本专利技术涉及一种陶瓷基复合材料的制备方法，具体涉及一种通过浆料浸溃和反应熔渗制备纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法。
技术介绍
航空航天技术的发展使飞行器的飞行速度越来越高，当飞行器再入大气时，某些部位要经受超高温(2000-300(TC)、大热流的严酷热环境。发动机热端部件，喉衬等部位，亦处于复杂的热应力环境并需承受2000-3000°C的高温以及强烈气流的高速冲刷等。恶劣的服役环境对材料提出了苛刻的要求，如高熔点、良好的抗烧蚀、抗氧化和抗热震性能、低热膨胀系数、低蒸汽压(特别是在高温下)以及良好的蠕变和疲劳性能等。为获得适用于极端服役环境的高性能超高温材料，世界各国广泛开展相关材料的探索与研究。过渡族金属碳化物和硼化物，即超高温陶瓷(Ultra High TemperatureCeramics,UHTCs)，由于具有超过3000°C的熔点，成为众多高温材料中最具潜力的超高温材料之一。但是陶瓷材料固有的脆性和难于加工限制其作为大尺寸部件的应用。采用纤维增强超高温陶瓷被认为是改善以上缺点的有效途径，在该方面的研究已取得了较多成果。聚合物浸溃/ 裂解(Polymer Infiltration/Pyrolysis, PIP)法和反应熔渗(Reactive Melt Infiltration, RMI)法是研制超高温陶瓷基复合材料的主要方法。两种方法各有特点，如PIP法能够在较低的温度下得到超高温相分布较均匀的材料，但是工艺过程复杂，材料制备周期长；RMI法能够提高超高温相在纤维束间区域的含量，但是熔渗温度高，易损伤纤维。然而，不管是何种方法，目前所研制的纤维增强超高温陶瓷基复合材料中超高温相的含量都较低，不利于材料在超高温条件下长时间使用。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法存在的缺陷，本专利技术提供一种通过浆料浸溃和反应熔渗制备纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法。本专利技术提供，所述方法包括: 1)采用含有纳米碳化锆和酚醛树脂的浆料浸溃纤维预制体，经固化-裂解或直接裂解后，获得含ZrC的纤维预成型体； 2)以有机聚合物作为有机碳源前驱体浸溃含ZrC的纤维预成型体，裂解获得ZrC-C复合多孔中间体； 3)以二硅化锆为硅源和锆源于1800-1950°C对所述多孔中间体进行熔渗，获得纤维增强超高温陶瓷基复合材料。 本专利技术首先通过含有纳米碳化锆和酚醛树脂的浆料浸溃向纤维预制体引入纳米碳化锆，然后通过浸溃有机聚合物引入碳基体，最后以二硅化锆为硅源和锆源进行高温熔渗，原位将碳基体转化为碳化硅和碳化锆，形成碳-碳化锆-碳化硅的纤维增强超高温陶瓷基复合材料，该材料中碳化锆分布均匀且含量高，有望在超高温条件下长时间使用。较佳地，步骤I)中，所述浆料的溶剂为无水乙醇，所述浆料中酚醛树脂的浓度为0.05g/mL-l.0g/mL,优选0.4g/mL_0.6g/mL,纳米碳化锆与酚醛树脂的用量比为IOwt % _500wt %,优选80wt % -150wt%。在该范围内纳米碳化错分散良好、衆料稳定且具有良好的流动性，适合于浸溃。较佳地，步骤I)中的纤维预制体为一维纤维预制体、二维纤维预制体、三维纤维预制体、短切纤维预制体中的其中之一，所用纤维为碳纤维或碳化硅纤维。所述纤维预制体的界面包括热解碳、碳化硅以及由它们组成的复合界面。较佳地，步骤I)中将浸溃后的纤维预制体进行压力成型，然后固化-裂解或直接裂解。较佳 地，步骤I)中，裂解的温度为900~1000°C，时间为0.5~1.0小时。较佳地，步骤2)中的有机聚合物为酚醛树脂、呋喃树脂或浙青。较佳地，步骤2)中浸溃一裂解循环进行1-8次，其中，优选4-7次。较佳地，步骤2)中，裂解的温度为900~1000°C，时间为0.5~1.0小时。较佳地，步骤3)中熔渗时间为0.5-1.5小时，熔渗在真空下进行。本专利技术的有益效果: 本专利技术工艺简单、制备周期短。制备的纤维增强超高温陶瓷基复合材料致密化程度高，开口气孔率低，超高温相(碳化锆)含量高，材料具有良好的抗烧蚀性能。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术的工艺流程图； 图2为本专利技术的一个实施方式中制备的3D Cf/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的截面XRD谱图； 图3为本专利技术的一个实施方式中无界面的Cf/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的抛光面背散射照片。【具体实施方式】以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术涉及一种浆料浸溃与反应熔渗相结合制备纤维增强超高温陶瓷基复合材料的方法，属于陶瓷基复合材料领域。本方法首先将纳米碳化锆和酚醛树脂配制成浆料，通过浆料浸溃-裂解工艺，获得含ZrC的纤维预成型体。再以有机聚合物(例如酚醛树脂)为碳源，采用有机前驱体浸溃一裂解工艺制备ZrC-C复合材料多孔中间体。最后，以二硅化锆为锆源和硅源，采用反应熔渗法对多孔中间体进行致密化，获得纤维增强超高温陶瓷基复合材料。本专利技术能够获得超高温相含量高的纤维增强超高温陶瓷基复合材料，并且工艺简单、制备周期短，材料致密化程度高、抗烧蚀性能优异。本专利技术提供，所述方法包括下述步骤: (1)将纳米碳化锆和酚醛树脂以及溶剂通过球磨混合制备成均匀分散的浆料； (2)利用步骤(1)所制备的浆料浸溃无界面或预制界面的纤维预制体；(3)将浸溃后的纤维预制体进行固化/裂解或直接裂解，获得含ZrC的纤维预成型体，裂解的温度为900~1000°C，时间为0.5~1.0小时； (4)通过有机前驱体浸溃一裂解法对步骤(3)得到的纤维预成型体进行处理，获得ZrC-C复合材料多孔中间体；采用有机前驱体浸溃一裂解法对纤维预成型体进行处理，引入碳，获得ZrC-C多孔中间体，裂解的温度为900~1000°C，时间为0.5~1.0小时； (5)利用二硅化锆反应熔渗步骤(4)中的多孔中间体，获得最终的纤维增强超高温陶瓷基复合材料。 步骤(1)中纳米碳化错相对于酹醒树脂的用量为IOwt % -500wt %,优选80wt% _150wt%，酚醛树脂溶液的浓度为 0.05g/mL-l.0g/mL，优选 0.4g/mL-0.6g/mL，溶剂为无水乙醇。所述的，其中，纤维预制体包括一维、二维、三维纤维预制体以及短切纤维预制体，纤维包括碳纤维、碳化硅纤维以及其它陶瓷纤维，界面包括热解碳、碳化硅以及由它们组成的复合界面。所述的，步骤(4)中的有机前驱体为酚醛树脂，浸溃一裂解循环次数为1-8次，优选4-7次。所述的，步骤(4)中复合材料多孔中间体的孔隙率为10% -30%。所述的，二硅化锆反应熔渗温度为1800-1950°C，熔渗时间为0.5-1.5小时，环境为真空。通过浆料浸溃向纤维预制体中引入纳米碳化锆，获本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：1）采用含有纳米碳化锆和酚醛树脂的浆料浸渍纤维预制体，经固化‑裂解或直接裂解后，获得含ZrC的纤维预成型体；2）以有机聚合物作为有机碳源前驱体浸渍含ZrC的纤维预成型体，裂解获得ZrC‑C复合多孔中间体； 3）以二硅化锆为硅源和锆源于1800‑1950℃对所述多孔中间体进行熔渗，获得纤维增强超高温陶瓷基复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董绍明，章良润，阚艳梅，周海军，胡建宝，王震，何平，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31