一种炭／炭／碳化硅复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种炭／炭／碳化硅复合材料的制备方法。其特点在于：采用化学气相渗透技术制备反应性碳原子并对炭纤维提供保护，结合树脂液相浸渍炭化技术对复合材料坯体的孔隙调节处理的方法进行炭／炭复合材料制备，得到的炭／炭复合材料的密度在１．０ｇ／ｃｍ↑［３］～１．９０ｇ／ｃｍ↑［３］范围内。采用固体硅蒸发产生的气态原子与炭／炭复合材料中的碳原子在１６５０℃～２２００℃高温通过化学反应生成ＳｉＣ的方法，进行炭／炭／碳化硅复合材料的快速制备。本发明专利技术所制备的炭／炭／碳化硅复合材料力学性能较本体炭／炭复合材料的力学性能有显著提高，热学性能相当，并具有优异的抗氧化性能。是一种高效制备小型薄壁异形高性能炭／炭／碳化硅复合材料的可工程化的方法。

Method for preparing carbon / carbon / silicon carbide composite material

The invention relates to a preparation method of carbon / carbon / silicon carbide composite material. The utility model is characterized in that the chemical gas preparation technology of reactive carbon atoms and to provide protection to the carbon fiber penetration, combined with the method of pore resin liquid impregnation carbonization technology of composite preform conditioning of carbon / carbon composites and carbon / carbon composite material obtained at the density of 1.0g / cm = 3 ~ 1.90g / cm = 3 range. Produced by solid silicon evaporation of gaseous atoms and carbon / carbon composites of carbon atoms in the 1650 to 2200 DEG C high temperature by means of chemical reaction of SiC, fast for carbon / carbon / silicon carbide composite. The mechanical properties of the carbon / carbon / silicon carbide composite prepared by the invention have remarkable improvement in mechanical properties, thermal performance and excellent oxidation resistance. It is an efficient engineering method for preparing small, thin-walled and special-shaped high performance carbon / carbon / silicon carbide composites.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别是涉及一种 液体火箭姿控、轨控发动机推力室用和固体材料线膨胀系数、导热系数等 热常数测定仪发热元件用炭/炭/碳化硅复合材料的制备方法。技术背景炭/炭复合材料具有优异的高温力学性能、良好的抗热震性能，成为航空、航天等领域高温热结构部件的首选。但由于其在高温(高于40(TC) 氧化性环境中容易发生氧化，限制了它的应用。提高炭/炭复合材料的抗 氧化性能一直是该领域研究的重点和热点。碳化硅(SiC)基抗氧化材料 由于具有高的力学性能、低密度以及与炭材料良好的相容性，成为目前在 航天飞机鼻锥帽和机翼前缘、液体火箭发动机推力室等部件得到实际应用 的最重要材料之一。目前国外的SiC基抗氧化材料主要以涂层和基体两类形式应用。涂层 即抗氧化的SiC基材料只分布在炭/炭复合材料的表面，而基体材料则是 用SiC基体替代原有的C基体，从而提高材料的抗氧化性能。目前的SiC涂层制备方法存在成型困难、对环境有污染或对设备要求较高等问题，而 且由于热膨胀系数不匹配，涂层与本体材料的结合差是一个必须考虑的问 题，为此需要进行复杂的涂层结构设计。釆用炭/碳化硅复合材料是实现 长时间抗氧化的有效途径，但现有炭/碳化硅复合材料的一个重要缺点是 生产周期长，制备成本过高，某些制备方法产生的氯化氢尾气对环境有污染，而且炭/碳化硅复合材料的使用温度仅为16501C,远低于炭/炭复合材 料的使用温度极限(高于30001C )。我国的炭/炭复合材料抗氧化技术研究除了上述共性问题外，还由于 起步较晚、技术水平落后，目前仍集中于基础理论或小样试验研究，在工程化应用方面存在较大差距。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种可快速、低成 本和可工程化的制备炭/炭/碳化硅复合材料的方法，该方法不仅大大改善 炭/炭复合材料的抗氧化性能，而且所制备的复合材料具有较高的耐温性, 满足小型液体火箭姿控、轨控发动机复合材料推力室或固体材料线膨胀系 数、导热系数等热常数测试仪器高温发热元件的应用需求。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是 一种炭/炭/碳化硅复 合材料的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤(1) 采用针刺或整体编织三向炭纤维预制体，经化学气相渗透结合 树脂液相浸渍炭化方法制备化学气相反应用炭/炭复合材料坯体；(2) 采用立式结构的反应室，所述反应室分为下部气化区和上部反 应区两部分，将待处理的步骤(l)中所述炭/炭复合材料坯体置于反应室 的上部反应区中，将硅块置于反应室的下部气化区生成硅气化物；所述气 化区和反应区用带孔支板隔开；(3)加热所述反应室升温至1650X: 2200X:并通保护气体，保温2~ 8小时，步骤(2)中所述硅气化物随保护气体通过带孔支板进入反应室的 上部反应区，被炭/炭复合材料坯体表面吸附并与其反应生成SiC，自然或 控制降温至反应室温度低于IOOC，即得到炭/炭/碳化硅复合材料工件。步骤(1)中所述炭/炭复合材料坯体的密度在l.Og/cm3~ 1.卯g/cm3范 围内。步骤(2)中所述反应室和带孔支板由细颗粒石墨或其密度》1.80g/cm3 的中高密度炭/炭复合材料加工而成，所述反应室内壁距离待处理炭/炭复 合材料坯体外壁5mm 10mm,所述反应室顶端盖板留有出气口 。步骤(3)中所述保护气体为氩气，氩气流量0.2m3/h ~0.8m3/h,所述 保护气体由反应室下方通入，反应室顶部出气口流出。步骤(3)中所述加热过程在炭管处理炉或感应处理炉中进行，处理时 为常压，氩气惰性气体保护。步骤(3)中所述升温时间为4~10小时。 本专利技术与现有技术相比具有以下优点(1 )采用高温下硅蒸发产生的活性态硅原子直接与碳反应的化学气 相反应新方法进行炭/炭/碳化硅复合材料制备，与传统方法相比，原材料 简单易得，对环境无污染，所制备材料综合性能高，且缩短了生产周期。(2) 反应室为立式一体分区结构，下区为气化区，上区为反应区， 利于反应气体的顺利扩散。(3) 采用化学气相渗透与树脂液相浸渍炭化相结合的方法增密化学 气相反应用炭/炭复合材料坯体。不仅可保护纤维不与硅蒸气直接反应， 使炭纤维有较高的强度保持率。而且可对孔隙结构进行调节，有效地提高 了复合材料的综合性能。(4) 本专利技术制备的抗氧化的SiC组元是利用硅的气化、扩散以及与 碳原子的直接反应得到，SiC在材料外表面和孔隙与微裂紋的内壁呈梯度 分布，因此炭/炭/碳化硅双元基体复合材料具有优良抗氧化性能。(5) 采用化学气相反应方法成功制备了炭/炭/碳化硅复合材料推力 室和固体材料热膨胀系数测试仪发热元件，其方法还可应用于其它薄壁异 形炭/炭/碳化硅复合材料件的净尺寸成型。附图说明图l是本专利技术的化学气相反应工艺的原理图。图2是本专利技术树脂真空浸渍-加压固化工艺流程图。图3是本专利技术常压炭化工艺流程图。图中1-上盖板，2-反应室，3-反应区，4-待处理C/C复合材料坯体, 5-垫块，6-带孔支板，7-硅蒸汽，8-气化区，9-硅块。具体实施方式如图l所示，本专利技术的具体实施方法如下根据应用领域和构件承受热载荷特点选择合适的炭纤维增强预制体 结构，按照设计的工艺参数，采用化学气相渗透和树脂液相浸渍炭化相结 合的致密工艺制备C/C复合材料。按照最终产品尺寸要求对C/C复合材料 坯体机加，准备进行化学气相反应处理。化学气相渗透工艺参数如下丙烯流量0.8±0.4m3/h,高纯氮气流量0.8±0.4m3/h 炉内压力匿0.080--O.OMMPa,沉积温度940±40°C。常压炭化工艺参数保护气体为N2。称取一定质量的硅块9放在反应室2下部的气化区8，然后依次放入 带孔支板6、垫块5、待处理C/C复合材料坯体4;盖上反应室2上盖板1 后，将反应室2放入高温处理炉，氩气惰性气体保护，气体流量由设备大 小决定。按照预定的升温制度将反应室2加热至165(TC 220(TC，保温 2h 8h,自然或控制降温至炉温低于IO(TC，即可取出反应室2和反应室 2中的炭/炭/碳化硅复合材料工件。其反应原理如下硅的熔点为1413"C,沸点为2355°C。在高温下，液态硅的蒸气压公々为 》' lgy° = -18550/T + 79.55当有杂质例如Si02等存在时，由于发生下述反应^ +— mo—,，r.KT4,簡"g > 2&.05702 + C mo"r > 5V<9 + CO5/ + 扁"'> &疆+Si蒸,L+57(9其蒸气压会显著增大。而且由于硅与碳直接反应将生成SiC,因此可 利用硅蒸气7与反应区3中的待处理C/C复合材料坯体4的反应得到SiC。 实施例1O)釆用炭布炭纤维网胎针刺预制体，预制体密度0.50土0.05g/cm3, 经化学气相渗透至材料密度达1.20g/cm3和一次树脂浸渍炭化处理至材料 密度达1.40g/cm3;机加成55mm x I0mm x 4mm的试样；(2)称取500g左右的硅块放在石墨坩埚中，依次放入石墨带孔支板 和待处理试件，根据反应室和待处理C/C复合材料试件的尺寸可同时放入 数件试件，注意试样间和试样与反应室内壁不接触，保持间距在5mm-i0mm。按照本专利中所介绍的方法和工艺参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种炭／炭／碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：（１）采用针刺或整体编织三向炭纤维预制体，经化学气相渗透结合树脂液相浸渍炭化方法制备化学气相反应用炭／炭复合材料坯体；（２）采用立式结构的反应室，所述反应室分为下部气化区和上部反应区两部分，将待处理的步骤（１）中所述炭／炭复合材料坯体置于反应室的上部反应区中，将硅块置于反应室的下部气化区生成硅气化物；所述气化区和反应区用带孔支板隔开；（３）加热所述反应室升温至１６５０℃～２２００℃并通保护气体，保温２～８小时，步骤（２）中所述硅气化物随保护气体通过带孔支板进入反应室的上部反应区，被炭／炭复合材料坯体表面吸附并与其反应生成碳化硅，自然或控制降温至反应室温度低于１００℃，即得到炭／炭／碳化硅复合材料工件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞珍，段建军，解惠贞，崔红，
申请(专利权)人：西安航天复合材料研究所，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]