一种陶瓷基复合材料致密化的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷基复合材料快速致密化的制备方法，其特点包括以下步骤：将硅粉、碳化硅晶须(质量百分比为20％～40％:60％～80％)置于玛瑙球磨罐中球磨处理；将聚乙烯醇(PVA)和蒸馏水(质量百分比为50％～60％:40％～50％)倒入到干净的容器中，在70～90℃恒温搅拌完全溶解胶液；然后将PVA胶液和球磨粉料胺1:1～3质量比混合搅拌均匀，采用毛刷将浆料均匀的涂覆在复合材料表面，放入150～200℃烘箱中烘干5～10h，然后打磨平整，最后放入化学气相沉积(CVD)炉内在1000～1200℃保温4～6小时后，沉积碳化硅涂层。该方法制备的陶瓷基复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。同时，在高温环境下可以极大地提高复合材料高温氧化性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种陶瓷基复合材料快速致密化的方法。
技术介绍
陶瓷基复合材料具有耐高温、强度高、密度低、抗腐蚀和低的热膨胀系数等优异的性能，已成为航空、航天等耐热部件、高强度部件最具潜力的新型复合材料之一。采用化学气相渗透(CVI)工艺在制备陶瓷基复合材料时，不可避免的会残留10?15%的孔隙，为了得到致密的陶瓷基复合材料，必须进行多炉次的CVI致密化处理，费时费力、运行成本较高。而且，由于陶瓷基复合材料(如碳纤维和SiC基体)的热膨胀系数不同，复合材料内部会产生大量的微小裂纹，如果不进行表面致密化处理，孔隙和微小裂纹的存在会影响复合材料的力学及耐高温性能，耐高温长寿命的应用也受到限制。专利申请号“CN200610091393.7”介绍了一种碳/碳复合材料基碳化硅涂层及其制备方法，该方法采用不同百分含量的硅粉、碳粉、碳化硅粉与氧化硼混合粉混合成包埋粉料，然后将复合材料包埋在石墨坩祸中，采用真空炉加热1500°C烧制碳化硅涂层。这种粉体包埋法制备碳/碳复合材料不但对粉料浪费较大，而且熔融的粉料会粘接复合材料，给后续加工带来困难。
技术实现思路
为了克服现有技术制备致密的碳化硅涂层时，致密化周期长、成本高、费时费力(CVI)，以及对粉体浪费大、不利于清理(RMI)等问题，本专利技术提供。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案:—种陶瓷基复合材料快速致密化的制备方法，其特殊之处在于:包括以下步骤:I)使用涂刷的方法对陶瓷基复合材料表面进行初级致密1.1)制备表面涂刷浆料a)将Si粉与碳化硅晶须按质量比为2:8?4:6加入球磨罐，用蒸馏水进行混合形成混合液，将混合液烘干形成表面涂刷粉料；b)制备表面涂刷胶液将聚乙烯醇与蒸馏水按质量比为1:1?3:2混合均匀，形成表面涂刷胶液；c)将表面涂刷胶液加入到表面涂刷粉料中，混合均匀形成表面涂刷浆料；1.2)用表面涂刷浆料涂刷陶瓷基复合材料的工件表面；1.3)将陶瓷基复合材料工件烘干；1.4)打磨陶瓷基复合材料工件，如有表面缺陷重复步骤1.2)-1.3);2)将表面合格的陶瓷基复合材料工件通过表面碳化硅涂层沉积进行二级致密。上述表面涂刷粉料和表面涂刷胶液的质量比为:2:3?3:2混合。上述步骤a)中的Si粉与碳化硅晶须的混合是球磨混合。上述步骤b)中聚乙烯醇与蒸馏水的混合是利用磁力搅拌器搅拌混合的，混合温度70?90°C，搅拌器转速为3?4转/秒，搅拌时间为50?100分钟;搅拌后，进行10?15分钟超声波分散处理，制成表面涂刷胶液。上述步骤c)中，表面涂刷胶液与表面涂刷粉料是通过磁力搅拌器进行搅拌混合的，搅拌器转速为3?4转/秒，搅拌时间为50?100分钟，制成表面涂刷浆料。上述1.2)具体为:1.2.1)用锉刀打磨陶瓷基复合材料工件表面，去除表面浮渣及颗粒，然后清洗及烘干工件；1.2.2)使用毛刷蘸取浆料，均匀涂刷到表面，总共涂刷3?4次，每次涂刷完毕后停顿5?8分钟再刷下一次，保证复合材料表面完全覆盖。上述步骤1.3)的烘干条件为:烘箱温度为150?200°C，烘干时间为5?10小时。上述步骤1.4)的打磨具体为:先用100#或200#型号粗砂纸打磨工件表面至局部露纤维，然后分别使用1000#、1500#及2000#型号细砂纸打磨工件表面至光滑，无凹坑、突起、孔洞等缺陷。上述步骤1.5)表面碳化硅涂层沉积具体为:先将工件升温到1000?1200°C后保温4?6小时，然后再通入反应气体进行表面碳化硅涂层沉积;沉积炉抽真空至I?5kPa，以流量为4?10L/min的Ar气作为保护气体，流量为4?10L/min的H2气作为三氯甲基硅烷的载气气体，沉积时间为60?100小时。本专利技术与现有技术相比，有益效果是:1、采用表层涂刷粉体浆料并高温烧结+表面沉积碳化硅涂层相结合的方法，在复合材料表面制备致密的碳化硅层，可以极大地提高陶瓷基复合材料致密化速率，缩短工艺周期，提高了高温防氧化性能。本方案中制备的条形式样(三维针刺)致密化所需炉次为8?9炉，而未刷浆料部分需要12炉次以上才能表面致密化。2、本专利技术采用涂刷的方法进行初级致密，这种方法对粉体浪费极小，而且也不会影响到后续加工。3、采用本专利技术制备的陶瓷基复合材料碳化硅涂层表面平整致密，高温氧化失重约为1.99%，无烧结+碳化硅涂层的复合材料同等环境下氧化失重率约为4.68%。【附图说明】图1未致密化的复合材料表面形貌；图2致密化的复合材料表面形貌；图3致密化和未致密化的复合材料表面形貌对比；图4熔融粉体堵塞孔洞凹坑的表面形貌；图5致密化前后复合材料表面形貌。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术作详细说明。实施例1(a)分别称取质量百分比为30%的Si粉，质量百分比为70%的碳化硅晶须，置于玛瑙球磨罐中，加入蒸馏水进行10小时左右的球磨混合处理，将混合液取出烘干制成表面涂刷的粉料；(b)分别称取质量百分比为60%的聚乙烯醇，质量百分比为40%的蒸馏水，加热到80°C，用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌器转速为4转/秒，搅拌时间为60分钟，然后进行15分钟超声波分散处理，制成表面涂刷胶液；(c)将步骤(b)制备的胶液倒入步骤(a)的粉料中，然后用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌器转速为4转/秒，搅拌时间为60分钟，制成表面涂刷浆料；(d)用锉刀打磨工件表面，去除表面浮渣及颗粒，然后清洗及烘干复合材料。使用毛刷蘸取浆料，均匀涂刷到表面，总共涂刷3次，每次涂刷完毕后停顿5分钟再刷下一次，保证复合材料表面完全覆盖；(e)将步骤(d)的复合材料放入烘箱中，烘箱温度为180°C，烘干时间为5小时；(f)将步骤(e)的复合材料取出，先用100#或200#型号粗砂纸打磨工件表面至局部露纤维，然后分别使用1000#、1500#及2000#型号细砂纸打磨工件表面至光滑，无凹坑、突起、孔洞等缺陷。如有缺陷，重复步骤(d)?(f)直到无缺陷。(g)将步骤(f)的工件放入化学气相沉积炉(简称CVD)中，升温到1100°C后保温5小时，然后再通入反应气体进行表面碳化硅涂层沉积。沉积炉抽真空至lkPa，以流量为8L/min的Ar气作为保护气体，流量为8L/mir^^H2气作为三氯甲基硅烷的载气气体，沉积时间为70小时。采用本实施例1制备的陶瓷基复合材料包括粉体烧结层和CVD碳化硅涂，两层相互作用提高产品的高温抗氧化能力。根据热氧化失重实验结果:没涂层复合材料在700°C有氧高温下，保温1h后，氧化失重4.68%;有烧结涂层和CVD涂层的复合材料，在同样状态下，氧化失重1.99%。因此，本方案制备的陶瓷基复合材料碳化硅涂层，在高温氧化环境中的氧化失重率比没有涂层的复合材料的氧化失重率要小2倍以上。【主权项】1.一种陶瓷基复合材料快密化的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)使用涂刷的方法对陶瓷基复合材料表面进行初级致密 1.1)制备表面涂刷浆料 a)将Si粉与碳化硅晶须按质量比为2:8?4:6加入球磨罐，用蒸馏水进行混合形成混合液，将混合液烘干形成表面涂刷粉料； b)制备表面涂刷胶液 将聚乙烯醇与蒸馏水按质量比为1:1?3:2混合均匀，形成表面涂刷胶液； c)将表面涂刷胶液加入到表面涂刷粉料中，混合均匀形成表面涂刷浆料； 1.2)用表面涂刷浆料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陶瓷基复合材料快密化的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)使用涂刷的方法对陶瓷基复合材料表面进行初级致密1.1)制备表面涂刷浆料a)将Si粉与碳化硅晶须按质量比为2：8～4：6加入球磨罐，用蒸馏水进行混合形成混合液，将混合液烘干形成表面涂刷粉料；b)制备表面涂刷胶液将聚乙烯醇与蒸馏水按质量比为1：1～3：2混合均匀，形成表面涂刷胶液；c)将表面涂刷胶液加入到表面涂刷粉料中，混合均匀形成表面涂刷浆料；1.2)用表面涂刷浆料涂刷陶瓷基复合材料的工件表面；1.3)将陶瓷基复合材料工件烘干；1.4)打磨陶瓷基复合材料工件，如有表面缺陷重复步骤1.2)‑1.3)；2)将表面合格的陶瓷基复合材料工件通过表面碳化硅涂层沉积进行二级致密。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：成来飞，冯锋，左新章，邬国平，马玉洁，刘梦珠，
申请(专利权)人：西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61