一种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术是一种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法，该方法以碳纤维或碳化硅纤维作为增强体，结合料浆法制备出纤维预浸料，进而通过热压成型、炭化、熔渗制备出纤维增强复相陶瓷基复合材料。本发明专利技术在料浆中直接添加ZrB2、ZrC、HfB2、HfC等粉体，从而引入了超高温组元，提高了复合材料的耐超高温性能，该方法避免了传统纤维增强超高温陶瓷基复合材料制备周期长、成本高的缺点，能够短周期、低成本制备出性能优异的超高温陶瓷基复合材料。

Preparation method of fiber reinforced composite ceramic matrix composites

The invention relates to a preparation method of fiber reinforced multiphase ceramic matrix composites, in which carbon fiber or silicon carbide fiber is used as reinforcement, fiber prepreg is prepared by combining slurry method, and then fiber reinforced multiphase ceramic matrix composites are prepared by hot pressing, carbonization and infiltration. The invention directly adds ZrB2, ZrC, HfB2, HfC and other powders into the slurry, thereby introducing ultra-high temperature components and improving the ultra-high temperature resistance of the composite material. The method avoids the disadvantages of long preparation period and high cost of the traditional fiber reinforced ultra-high temperature ceramic matrix composite material, and can produce excellent performance with short period and low cost. Ultra high temperature ceramic matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
一种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法
本专利技术是一种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法，属于复合材料制备

技术介绍
碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料具有广泛的应用领域，由于其具有耐高温、韧性好、抗氧化性优异等性能，而被广泛应用于航空发动机、空天飞机及火箭尾喷部位，通常如果基体为碳化硅基体，复合材料的使用温度不超过1650℃，而通过在基体中添加超高温陶瓷组分，例如ZrC、HfC等，制备出的复相陶瓷基体复合材料，可以大大提高材料的使用温度。专利CN10397997A介绍了一种C/SiC-HfB2-HfC复相陶瓷基复合材料的制备方法，首先采用真空压力浸渍法在纤维增强复合材料预制体中引入B4C和C有机前驱体，结合硅铪合金反应熔渗浸渗法生成SiC、HfB2与HfC。王一光等人(YiguangWang,WenLiu,etal.Preparationandpropertiesof2DC/SiCultrahightemperatureceramiccomposites,Materialssciencesandengineering,2009,A524,129-133)将涂覆ZrB2颗粒聚碳硅烷浆料二维碳纤维布堆叠固化裂解后化学气相沉积SiC基体制备C/SiC-ZrB2复合材料，采用此种方法制备的复合材料层间结合力较差。专利CN102515870A介绍了一种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法，采用压力浸渍法将B4C与碳有机先驱体引入C/SiC复合材料中，固化后再裂解，进而通过硅锆合金反应熔体渗透法制备C/SiC-ZrB2-ZrC超高温复合材料。专利CN104311090A介绍了一种复相陶瓷基复合材料的制备方法，采用热压烧结法结合前驱体浸渍裂解法制备Cf/ZrC-SiC复合材料。上述制备复相陶瓷基复合材料的方法中，如果以预制体作为原材料，进而采用真空浸渍法引入粉体时容易导致堵孔等现象的发生，致使料浆在预制体内分布不均匀，尤其是预制体的芯部；采用硅锆合金或硅铪合金的方式引入碳化锆、二硼化锆、碳化铪或二硼化铪的方式引入超高温陶瓷组分的量有限，难以大幅度提高材料的超高温特性；采用前驱体浸渍裂解工艺制备复合材料时，具有周期长、层间结合力低及成本高等缺点；采用热压法制备复合材料时，尽管可以大幅度提高超高温陶瓷粉体的引入量，但是此种工艺仅适用制备简单形状的复合材料构件且热压成型对于设备要求较高，因此成本较高。预浸料－熔渗工艺是一种低成本、短周期且适合制备复杂构件的陶瓷基复合材料制备方法，该方法目前可以制备碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基体复合材料。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法，该方法通过预浸料铺层的形式，实现复杂构件的成型，其目的是通过浆料中直接引入超高温陶瓷粉体的方法实现复相陶瓷基体的制备，使制备的陶瓷基复合材料具有耐超高温的效果，缩短制备周期、降低成本，便于制备大型、复杂构件。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：该种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：步骤一、将碳纤维或碳化硅纤维编织成二维布；步骤二、在纤维表面制备界面层，界面层为双层界面层结构，其中内界面层为热解碳界面层或氮化硼界面层，内层界面层的厚度为0.1～1μm，外层界面层为SiC界面层，厚度为0.1-5μm；步骤三、将碳化硅粉体、超高温陶瓷粉体、高残炭树脂、造孔剂树脂与溶剂均匀混合，并球磨5小时，得到料浆，其中：碳化硅粉体的质量份数为50份，超高温陶瓷粉体的质量份数为50～200份，高残炭树脂的质量份数为5～20份，造孔剂树脂的质量份数为1～10份，溶剂的质量份数为100～600份；所述超高温陶瓷粉体为二硼化锆粉体、碳化锆粉体或二者的混合物，或所述超高温陶瓷粉体为二硼化铪粉体、碳化铪粉体或二者的混合物；步骤四、将步骤三得到料浆均匀涂刷至步骤二制备的纤维布表面，并置于室温下干燥5～48小时，得到预浸料；步骤五、将步骤四得到的预浸料置于模具中铺层，并采用压机或热压罐进行成型，成型温度为100～300℃，成型压力为0.1～10MPa，得到预制体；步骤六、将步骤五得到的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为800～1200℃之间，保温时间0.2-2h，得到多孔体；步骤七、将得到的多孔体置于石墨坩埚中，采用金属粉对其进行熔渗，熔渗温度为1350～1800℃之间，气氛为真空气氛，得到纤维增强复相陶瓷基复合材料；所述金属粉为硅粉或硅基合金粉、锆粉、锆基合金粉、铪粉或铪基合金粉中的一种。步骤一中所述的二维布为平纹织物、斜纹织物或缎纹织物。高残炭树脂为酚醛树脂、呋喃树脂或沥青中的一种或几种；的混合物。造孔剂树脂为PVA树脂、环氧树脂、PVP树脂、PMMA树脂中的一种或几种的混合物。溶剂为乙醇、甲醇、甲苯、二甲苯、呋喃、丙酮中的一种或几种的混合物。本专利技术的优点和特点：1.本专利技术在料浆制备过程中直接添加ZrB2、ZrC、HfB2、HfC等粉体，从而引入了超高温组元，提高了复合材料的耐超高温性能，使用温度超过1600℃，该引入方法具有简单、快捷的特点；2.本专利技术采用二维布铺层的方式制备复合材料平板件或复合材料复杂构件，而非编织的方式，可以实现平板件或复杂构件的近净尺寸成型，大大减少后期加工；3.本专利技术避免了传统纤维增强超高温陶瓷基复合材料制备周期长、成本高的缺点，能够短周期、低成本制备出性能优异的复合材料，适于批量生产纤维增强超高温陶瓷基复合材料。具体实施方式以下结合具体实例说明碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法。实施例1制备纤维增强复相陶瓷基复合材料的方法的步骤如下：步骤一、将碳纤维纤维编织成二维平纹布；步骤二、在碳纤维表面制备界面层，界面层为双层界面层结构，其中内界面层为氮化硼界面层，内层界面层的厚度为0.5μm，外层界面层为SiC界面层，厚度为0.5μm；步骤三、将碳化硅粉体、二硼化锆粉体、高残炭树脂、造孔剂树脂与溶剂均匀混合，并球磨5小时，其中碳化硅粉体质量份数为50份，二硼化锆粉体质量份数为80份，高残炭树脂质量份数为10份，造孔剂树脂质量份数为10份，溶剂质量份数为200份；步骤四、将步骤三得到料浆均匀涂刷至步骤二制备的纤维布表面，并置于室温下干燥24小时，得到预浸料；步骤五、将步骤四得到的预浸料置于模具中铺层，并采用压机进行成型，成型温度为200℃，成型压力为8MPa，制备得到预制体；步骤六、将步骤五得到的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为1000℃，保温时间1h，得到多孔体；步骤七、将得到的多孔体置于石墨坩埚中，采用ZrSi2-Si合金粉体对其进行熔渗，熔渗温度为1500℃，气氛为真空气氛，得到纤维增强超高温陶瓷基复合材料。实施例2制备纤维增强复相陶瓷基复合材料的方法的步骤如下：步骤一、将碳纤维纤维编织成二维平纹布；步骤二、在碳纤维表面制备界面层，界面层为双层界面层结构，其中内界面层为氮化硼界面层，内层界面层的厚度为0.5μm，外层界面层为SiC界面层，厚度为0.5μm；步骤三、将碳化硅粉体、二硼化铪粉体、高残炭树脂、造孔剂树脂与溶剂均匀混合，并球磨5小时，其中碳化硅粉体质量份数为50份，二硼化铪粉体质量份数为80份，高残炭树脂质量份数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：步骤一、将碳纤维或碳化硅纤维编织成二维布；步骤二、在纤维表面制备界面层，界面层为双层界面层结构，其中内界面层为热解碳界面层或氮化硼界面层，内层界面层的厚度为0.1～1μm，外层界面层为SiC界面层，厚度为0.1‑5μm；步骤三、将碳化硅粉体、超高温陶瓷粉体、高残炭树脂、造孔剂树脂与溶剂均匀混合，并球磨5小时，得到料浆，其中：碳化硅粉体的质量份数为50份，超高温陶瓷粉体的质量份数为50～200份，高残炭树脂的质量份数为5～20份，造孔剂树脂的质量份数为1～10份，溶剂的质量份数为100～600份；所述超高温陶瓷粉体为二硼化锆粉体、碳化锆粉体或二者的混合物，或所述超高温陶瓷粉体为二硼化铪粉体、碳化铪粉体或二者的混合物；步骤四、将步骤三得到料浆均匀涂刷至步骤二制备的纤维布表面，并置于室温下干燥5～48小时，得到预浸料；步骤五、将步骤四得到的预浸料置于模具中铺层，并采用压机或热压罐进行成型，成型温度为100～300℃，成型压力为0.1～10MPa，得到预制体；步骤六、将步骤五得到的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为800～1200℃之间，保温时间0.2‑2h，得到多孔体；步骤七、将得到的多孔体置于石墨坩埚中，采用金属粉对其进行熔渗，熔渗温度为1350～1800℃之间，气氛为真空气氛，得到纤维增强复相陶瓷基复合材料；所述金属粉为硅粉或硅基合金粉、锆粉、锆基合金粉、铪粉或铪基合金粉中的一种。...

【技术特征摘要】
1.一种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：步骤一、将碳纤维或碳化硅纤维编织成二维布；步骤二、在纤维表面制备界面层，界面层为双层界面层结构，其中内界面层为热解碳界面层或氮化硼界面层，内层界面层的厚度为0.1～1μm，外层界面层为SiC界面层，厚度为0.1-5μm；步骤三、将碳化硅粉体、超高温陶瓷粉体、高残炭树脂、造孔剂树脂与溶剂均匀混合，并球磨5小时，得到料浆，其中：碳化硅粉体的质量份数为50份，超高温陶瓷粉体的质量份数为50～200份，高残炭树脂的质量份数为5～20份，造孔剂树脂的质量份数为1～10份，溶剂的质量份数为100～600份；所述超高温陶瓷粉体为二硼化锆粉体、碳化锆粉体或二者的混合物，或所述超高温陶瓷粉体为二硼化铪粉体、碳化铪粉体或二者的混合物；步骤四、将步骤三得到料浆均匀涂刷至步骤二制备的纤维布表面，并置于室温下干燥5～48小时，得到预浸料；步骤五、将步骤四得到的预浸料置于模具中铺层，并采用压机或热压罐进行成型，成型温度为100～300℃，成型压力为0.1～10M...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金华，焦健，姜卓钰，刘虎，焦春荣，吕晓旭，周怡然，杨瑞，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11