碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法，属于新材料领域，具体为太阳能、半导体、冶金、能源、化工、材料、机械、交通、航天航空等的领域的高温/高纯、高温热场/承重、摩擦磨损、耐腐蚀材料、抗氧化材料。所述制备方法包括将碳化硅浆料均匀喷涂或涂布在碳纤维毡和碳纤维布表面，然后经交替层叠、针刺、烘干和温压固化后得到复合材料素坯；再对复合材料素坯进行炭化、热解炭和碳化硅界面相的交替渗透沉积，最后进行热解碳渗透沉积和增密处理，得到碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。本发明专利技术提供的制备方法的制备周期短、制备成本降低，制得的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料均匀性好、强度高，性能可靠。

Carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic matrix composites and their preparation methods

The invention provides a carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic matrix composite material and a preparation method thereof, which belongs to the field of new materials, in particular high temperature/high purity, high temperature thermal field/load-bearing, friction and wear, corrosion-resistant materials and antioxidant materials in the fields of solar energy, semiconductor, metallurgy, energy, chemical industry, materials, machinery, transportation, aerospace and so on. The preparation method includes uniform spraying or coating of silicon carbide slurry on the surface of carbon fiber felt and carbon fiber cloth, alternating lamination, needling, drying and warm-pressing curing to obtain composite plain blank, alternating infiltration deposition of carbonization, pyrolysis carbon and silicon carbide interface phase on composite plain blank, and finally pyrolysis carbon infiltration deposition and densification treatment to obtain carbon fiber enhancement. Strong silicon carbide ceramic matrix composites. The preparation method provided by the invention has the advantages of short preparation period, low preparation cost, good uniformity, high strength and reliable performance of the carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic matrix composite.

【技术实现步骤摘要】
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法
本专利技术属于新材料领域，具体为太阳能、半导体、冶金、能源、化工、材料、机械、交通、航天航空等领域的高温/高纯、高温热场/承重、摩擦磨损、耐腐蚀、抗氧化材料，特别涉及一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法。
技术介绍
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC复合材料)具有密度低、耐高温、力学性能和摩擦性能好，抗热冲击性能以及抗氧化能力强等优点，是半导体、光电、能源和航空航天领域较理想的高温结构及功能材料，同时也是极具潜力的聚变堆用结构及功能材料，是在众多场合替代碳化硅、石墨、C/C复合材料等材料的新一代复合材料，特别适合用于300～1600℃的抗氧化环境的各种部件，如单晶硅/多晶硅等生产用坩埚、导流筒、盖板、保温隔热屏，高温炉板/炉架/托板，热压模具，铝液升液管/加热管/坩埚，熔体搅拌/除气转子/挡板，热电偶套管，燃烧喷嘴，高温熔体过滤管，重型卡车/飞机摩擦片等。目前国内外Cf/SiC复合材料的制备工艺主要采用化学气相渗透法、先驱体浸渍裂解法和反应熔体浸渗法等，但这些方法普遍存在制备周期长，制备成本高等问题，限制了Cf/SiC陶瓷基复合材料的应用推广。近年来为了缩短Cf/SiC复合材料的制备周期、降低生产成本，各国学者对此进行了深入研究，并公布了许多实用性专利。中国专利201610611986.5公布了一种Cf/SiC复合材料的快速制备方法，该方法通过碳纤维预制体的制备、CVISiC制备界面保护层、注浆法引入陶瓷粉末、聚碳硅烷溶液浸渍裂解与高温陶瓷化等步骤快速制备出Cf/SiC陶瓷基复合材料。相对于CVI和PIP法制备碳/陶复合材料时，制备时间更短。但注浆法引入陶瓷粉末有限，且易出现不均匀现象。中国专利201610611979.5公布了一种Cf/SiC复合材料的快速制备方法，该方法采用纯SiC为陶瓷源，将高固相的SiC浆料压力注入碳纤维预制体内部，然后，2200～2400℃高温烧结制备出Cf/SiC复合材料。制备过程无单质硅和其它有机物引入，制备周期短，成本低。但孔隙度大，产品性能差。中国专利201610470960.3公布了一种Cf/SiC复合材料的快速制备方法，该方法通过在预制体制备过程中加入SiC基体粉末，以减少后续聚碳硅烷PIP浸渍、裂解增密的时间，缩短了工艺制备Cf/SiC陶瓷复合材料的周期，从而达到降低制备成本的目的。其中最弯曲高强度能达到325MPa，最高拉伸强度能达到180MPa。但是，此方法存在SiC粉末引入时粉尘大，且很容易从纤维体中漏出，粉末引入量有限；PIP浸渍次数多，特别是后续增密速度很慢，并没有从根本上解决Cf/SiC陶瓷基复合材料制备周期长，制备成本高的问题。中国专利201510377418.9公布了一种Cf/SiC复合材料的快速制备方法，该方法以沉积PyC界面的薄层碳纤维预制体浸渍聚碳硅烷混合溶液，而后在保护气氛下依次交联固化、裂解，获得单片薄层C/SiC复合材料；将多片单层复合材料叠层放入石墨模具内进行放电等离子烧结，快速制备得到致密的C/SiC复合材料。该专利充分利用PIP法浸渍薄层时间短以及SPS法烧结迅速的特点，从而实现C/SiC复合材料制备，但该方法只适用于小型构件的致密，大型复杂件难以制造。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法，其目的是为了在缩短制备周期，降低生产成本，制备出均匀致密、性能好的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)将碳化硅浆料均匀喷涂或涂布在碳纤维毡和碳纤维布表面，再经交替层叠、针刺、烘干和温压固化后得到复合材料素坯；2)将步骤1)所得复合材料素坯在真空下进行炭化；3)在炭化后的复合材料素坯上交替进行热解炭与SiC界面相沉积，所述热解炭的单次沉积厚度和所述SiC的单次沉积厚度均为0.1-0.4μm，沉积次数为2-5次；最后沉积一层厚度为20-150μm的热解炭，得到碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料多孔体；4)对步骤3)所得碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料多孔体进行增密处理，得到碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。优选地，步骤1)所述碳化硅浆料固含量为20-35％，粘度为100-400mPa.s。优选地，步骤1)所述碳化硅浆料包括SiC粉末、石墨粉末和酚醛树脂粉末，所述SiC粉末、石墨粉末和酚醛树脂粉末的质量比为10:(0-4):(1-4)；所述碳化硅浆料还包括质量分数为0.15-0.8％的分散剂，所述分散剂为羧甲基纤维素钠和/或四甲基氢氧化铵和/或聚乙二醇。优选地，步骤1)中交替层叠和针刺为将喷涂有碳化硅浆料的碳纤维毡和碳纤维布交替叠放多层，至层叠厚度达1-3mm，然后用带有倒刺的针进行针刺；再叠层、针刺多次，直到达到预设厚度。优选地，步骤2)中所述炭化处理具体为将所述复合材料素坯由室温升至1100℃，升温过程中分别在温度为300-350℃、450-500℃、650-700℃以及1100℃处各保温60-80min；升温速率为3-4℃/min。优选地，步骤3)中沉积热解炭所用方法为化学气相渗透法，所述化学气相渗透法所用原料为甲烷、天然气、丙烷或丙烯，沉积温度为950-1200℃，沉积压力为3-25kPa。优选地，步骤3)中沉积SiC所用方法为化学气相渗透法沉积法，所述化学气相渗透沉积法所用原料为CH3SiCl3、CH3SiHCl2、HSiCl3与甲烷、HSiCl3与丙烷或HSiCl3与丙烯；所述化学气相渗透沉积法所用催化剂为氢气，稀释气为氩气，沉积温度为950-1200℃，沉积压力为3-25kPa。优选地，步骤4)所述增密处理所用工艺包括熔融渗硅法、多次先驱体浸渍-裂解法、化学气相渗透沉积碳化硅法、先多次先驱体浸渍-裂解再与化学气相渗透沉积碳化硅复合法或先熔融渗硅再与化学气相渗透沉积碳化硅复合法。优选地，步骤4)所述先驱体浸渍裂解具体为：使碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料多孔体吸入浸渍液，所述浸渍液为聚甲基硅烷液体或聚甲基硅烷高分子固体与苯乙烯的混合溶液，然后进行固化与裂解处理，重复上述步骤2-5次，最后进行烧结处理，得到碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。本专利技术还提供一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料，所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料由上述任意一项方法制备而成。本专利技术的上述方案有如下的有益效果：本专利技术提供的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法在碳化硅浆料中预先引入碳化硅粉末，减少了后期致密化时间，缩短了制备周期。采用水基或乙醇基碳化硅浆料，降低了生产成本。采用层间针刺使层间结合力增强，提高了材料的力学性能。在致密化之前，用化学气相渗透进行热解炭与碳化硅的交替沉积，使碳纤维增强体表面沉积多层厚度0.1～0.4μm厚的涂层，在调节孔隙的同时改善了碳纤维与基体的力学相容性，保护碳纤维不被侵蚀。本专利技术提供的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法的制备周期短、制备成本降低。本专利技术提供的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料本专利技术提供的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料均匀性好、强度高，性能可靠。附图说明图1为本专利技术的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将碳化硅浆料均匀喷涂或涂布在碳纤维毡和碳纤维布表面，再经交替层叠、针刺、烘干和温压固化后得到复合材料素坯；2)将步骤1)所得复合材料素坯在真空下进行炭化；3)在炭化后的复合材料素坯上交替进行热解炭与SiC界面相沉积，所述热解炭的单次沉积厚度和所述SiC的单次沉积厚度均为0.1‑0.4μm，沉积次数为2‑5次；最后沉积一层厚度为20‑150μm的热解炭，得到碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料多孔体；4)对步骤3)所得碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料多孔体进行增密处理，得到碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将碳化硅浆料均匀喷涂或涂布在碳纤维毡和碳纤维布表面，再经交替层叠、针刺、烘干和温压固化后得到复合材料素坯；2)将步骤1)所得复合材料素坯在真空下进行炭化；3)在炭化后的复合材料素坯上交替进行热解炭与SiC界面相沉积，所述热解炭的单次沉积厚度和所述SiC的单次沉积厚度均为0.1-0.4μm，沉积次数为2-5次；最后沉积一层厚度为20-150μm的热解炭，得到碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料多孔体；4)对步骤3)所得碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料多孔体进行增密处理，得到碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。2.如权利要求1所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述碳化硅浆料固含量为20-35％，粘度为100-400mPa.s。3.如权利要求1所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述碳化硅浆料包括SiC粉末、石墨粉末和酚醛树脂粉末，所述SiC粉末、石墨粉末和酚醛树脂粉末的质量比为10:(0-4):(1-4)；所述碳化硅浆料还包括质量分数为0.15-0.8％的分散剂，所述分散剂为羧甲基纤维素钠、四甲基氢氧化铵和聚乙二醇中的一种或多种。4.如权利要求1所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述交替层叠和针刺具体为将喷涂有碳化硅浆料的碳纤维毡和碳纤维布交替叠放多层，至层叠厚度达1-3mm，然后用带有倒刺的针进行针刺；再叠层、针刺多次，直至达到预设厚度。5.如权利要求1所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述炭化处理具体为将所述复合材料素坯由室温升至110...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：湖南兴晟新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43