碳化硅纤维增强碳化硅复合材料制备方法技术

一种碳化硅纤维增强碳化硅复合材料制备方法，其步骤为：１）碳化硅纤维表面ＳｉＣ涂层；２）碳化硅纤维增强碳化硅复合材料预制件热模压成型；３）有机先驱体浸渍裂解法制备碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。本发明专利技术提供了一种以聚碳硅烷为先驱体，以国产连续碳化硅纤维为增强相，首先采用化学气相沉积工艺在碳化硅纤维表面上制备碳化硅涂层，然后采用先驱体浸渍裂解工艺制备碳化硅纤维增强碳化硅（ＳｉＣ↓［ｆ］／ＳｉＣ）复合材料，最后在复合材料表面制备整体防氧化涂层的复合工艺方法，该方法制备的ＳｉＣ↓［ｆ］／ＳｉＣ复合材料力学性能优异、抗氧化性能大大提高，同时具有设备要求简单，制备周期短的特点。

Method for preparing silicon carbide fiber reinforced silicon carbide composite material

Silicon carbide composite material preparation method for silicon carbide fiber reinforced, which comprises the following steps: 1) silicon carbide fiber surface SiC coating; 2) silicon carbide fiber reinforced silicon carbide composite material prefabricated parts heat molding; 3) organic precursor impregnation and pyrolysis preparation of silicon carbide fiber reinforced silicon carbide composites. The invention provides a method for using Polycarbosilane as the precursor to domestic continuous silicon carbide fiber reinforced phase, the first phase in the deposition process of silicon carbide fibers on the surface of silicon carbide coatings were prepared by chemical gas, and preparation of silicon carbide fiber reinforced silicon carbide by precursor infiltration pyrolysis process (SiC: F / SiC) finally, composite materials, composite process overall anti oxidation coating prepared on the surface of composite materials, the preparation method of SiC: F / SiC composites with excellent mechanical properties, oxidation resistance is greatly improved, and has simple equipment, short preparation cycle.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机非金属材料领域，具体涉及一种。
技术介绍
碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)复合材料是随着现代科学技术的发展应运而生的，它的出现为现代科学技术自身的发展开辟了另一番广阔天地。碳化硅纤维增强碳化硅复合材料具有比强度和比模量高，高温性能好，尺寸稳定性好，不吸潮、不老化，使用可靠，优良的抗疲劳和抗蠕变性和较好的导热和导电性等优点，在航空航天、汽车发动机以及核工业领域等方面有很大的应用潜力。目前，对于连续纤维增强复合材料的制备方法主要有泥浆浸渗法、溶胶-凝胶法、先驱体转化法、熔融浸渗工艺、化学气相渗透/沉积工艺和反应烧结等。其中，聚合物先驱体转化法和化学气相渗透/沉积工艺应用比较广泛。碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)复合材料而言，反应烧结由于需要加入烧结助剂在高温高压下烧结，会影响碳化硅纤维的性能；熔融浸渗工艺制备的材料中会有过量的自由硅存在；而化学气相渗透工艺制备周期长、成本高。另外，由于现有的国产碳化硅纤维性能较国外产品还有差距，用上述方法制备的SiCf/SiC复合材料的力学性能和抗氧化性能都比较低，还有进一步提高和发展空间。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种以聚碳硅烷为先驱体，以国产连续碳化硅纤维为增强相，首先采用化学气相沉积工艺在碳化硅纤维表面上制备碳化硅涂层，然后采用先驱体浸渍裂解工艺制备碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)复合材料，最后在复合材料表面制备整体防氧化涂层的复合工艺方法，该方法制备的SiCf/SiC复合材料力学性能优异、抗氧化性能大大提高，同时具有设备要求简单，制备周期短的特点。本专利技术采用以下的技术方案解决上述技术问题一种，其特征在于其步骤为1)碳化硅纤维表面SiC涂层；2)碳化硅纤维增强碳化硅复合材料预制件成型；3)有机先驱体浸渍裂解法制备碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。本专利技术还可将所得复合材料表面整体防氧化涂层。其中1)碳化硅纤维表面碳化硅涂层将碳化硅纤维放置于真空炉内进行化学气相沉积。工艺参数沉积温度为900-1300℃；稀释气体氩气(流量为120～600ml/min)；沉积压力0.1～10kPa；沉积时间1～100h。2)碳化硅纤维增强碳化硅复合材料预制件热模压成型碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯比例为2～3∶4∶4～5的球磨混合物为浆料刷涂于纤维表面，之后将其在空气中放置晾干并切割成片叠层铺排放入石墨模具，在150～200℃、5～20MPa的压力下保持3～5min，然后冷却脱模；3)有机先驱体浸渍裂解法制备碳化硅纤维增强碳化硅复合材料采用先驱体转化法制备碳化硅纤维增强碳化硅复合材料，所用先驱体为聚碳硅烷，先将成型后的坯体进行高温裂解，然后将裂解产物的清理后以聚碳硅烷∶二甲苯＝50∶50(wt％)的溶液为浸渍液体进行高压浸渍，重复该过程8～15次，裂解的最高温度为1000-1200℃，升温过程中在400-500℃和550-700℃两个温度段设立保温区间；高压浸渍的压力为3-6MPa，时间为1～24h；4)复合材料表面整体防氧化涂层采用由B4C、MoSi2、SiC、Y2O3以3～6∶2～5∶1～6∶1～6的配比组成的混合粉体，作为防氧化保护层，将混合粉体充分球磨后加入适量的有机胶粘剂和溶剂制备成浆料后放置于容器中，将切割好的试样条在浆料中进行真空浸渍0.5～10h，试样取出后进行干燥。本专利技术主要优点在于1)产品力学性能优异本专利技术技术制备的SiCf/SiC复合材料具有优异的力学性能，即使采用国产KD-1型碳化硅纤维，所制备的复合材料室温弯曲强度大于700MPa，断裂韧性大于26MPa·m1/2。经过对涂层纤维和未涂层纤维扫描照片和对以往的有机先驱体浸渍裂解法制备的材料和本专利技术技术制备材料的扫描照片和力学性能数据的对比发现涂层后纤维表面状况得到明显改善，纤维表面明显变得光滑原始的裂纹和孔洞被填平；本专利技术技术制备的复合材料微观组织以及力学性能明显优越于以往的采用有机先驱体浸渍裂解法制备的SiCf/SiC复合材料。2)产品抗氧化性能好本专利技术技术制备的SiCf/SiC复合材料具有优异的抗氧化性能。经过对以往的有机先驱体浸渍裂解法制备的材料和本专利技术技术制备的材料氧化前后的性能数据、纤维能谱分析和扫描照片的对比发现本专利技术技术制备的材料微观组成以及各方面性能在氧化前后的变化远远小于有机先驱体浸渍裂解法制备的SiCf/SiC复合材料。这说明，采用本专利技术技术制备的复合材料抗氧化性能有了很大的改善。3)设备要求简单本专利技术技术方法对设备的要求较为简单，所用设备主要有高温裂解炉和真空和高压浸渍装置等。制备过程中对环境无污染。4)制备周期短本专利技术技术制备SiCf/SiC复合材料的周期不超过28天。附图说明图1为碳化硅纤维化学气相沉积涂层前后扫描电镜照片；其中A为碳化硅纤维化学气相沉积涂层前扫描电镜照片，B为碳化硅纤维化学气相沉积涂层前后扫描电镜照片图2为氧化处理后SiCf/SiC复合材料边缘扫描电镜照片；其中A为材料表面无整体涂层SiCf/SiC复合材料氧化处理后的边缘扫描电镜照片，B为材料表面有整体涂层SiCf/SiC复合材料氧化处理后的边缘扫描电镜照片图3为氧化处理后SiCf/SiC复合材料内部扫描电镜照片；其中A为材料表面无整体涂层SiCf/SiC复合材料氧化处理后的内部扫描电镜照片，B为材料表面有整体涂层SiCf/SiC复合材料氧化处理后的内部扫描电镜照片具体实施方式1)碳化硅纤维表面碳化硅涂层在纤维增强陶瓷基复合材料中，由于存在着纤维的脱粘与拔出等耗能机制，纤维增强陶瓷基复合材料具有较好的力学性能，特别是有较好的韧性。纤维的脱粘与拔出同纤维与基体间的界面特性密切相关，优异性能的复合材料界面必须满足以下基本条件使纤维与基体间有良好的物理相容性与化学相容性，二者间结合强度适中。根据以上要求，采用化学气相沉积碳化硅工艺制备纤维涂层。涂层过程中的工艺参数决定了碳化硅涂层的性能，而涂层的厚度、均匀性、致密性又影响材料的性能如果太薄、均匀性差、致密度低，对纤维的保护作用不大，增韧效果差；反之如果太厚，致密度过高，会导致纤维的韧性下降，亦造成不良影响；只有在厚度适中、致密度高的时候才有利于材料性能的提高。影响这些性能的工艺参数有沉积温度、放样位置、稀释气体种类及流量、沉积压力以及沉积时间等。①沉积温度该步骤的目的是制备出致密的多晶β一碳化硅涂层。②放样位置由于真空炉沉积区内不同位置在不同的工艺条件下气体的浓度会存在差异，将影响沉积涂层的均匀性。本专利技术中将纤维板垂直放置在炉膛内的相同沉积效果位置，有利于纤维板两面的纤维涂层的均匀性。③稀释气体稀释气体用来调节原料气的浓度，对化学气相沉积碳化硅涂层的沉积过程也会有影响。本专利技术以氩气作为稀释气体。④沉积压力化学气相沉积可以在常压下进行，也可以在负压下进行，本专利技术都是在负压条件下进行碳化硅涂层沉积。通过真空泵前置的蝶形阀门来控制真空泵抽气速率的大小，从而控制沉积压力的大小，沉积压力范围为0.1～10kPa。⑤沉积时间化学气相沉积过程是由气相析出固相沉积物的过程，中间既涉及到化学反应，又涉及到晶体生长，所以受沉积时间的影响很大。2)先驱体浸渍裂解法制备SiCf/SiC复合材料首先将碳化硅微粉、聚碳硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硅纤维增强碳化硅复合材料制备方法，其特征在于其步骤为：１）碳化硅纤维表面ＳｉＣ涂层；２）碳化硅纤维增强碳化硅复合材料预制件热模压成型；３）有机先驱体浸渍裂解法制备碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周新贵，张长瑞，王军，张洪刚，李效东，刘荣军，曹英斌，于海蛟，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]