一种高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法和应用。所述方法：在碳纤维预制体的表面制备C界面层、SiC界面层和/或由C界面层和SiC界面层交替沉积组成的(C/SiC)

【技术实现步骤摘要】
一种高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于热结构复合材料
，尤其涉及一种高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
C/SiBCN陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、高比模、高比强和抗氧化等一系列优异性能，在航天航空领域具有广泛的应用前景。四元SiBCN非晶陶瓷基体，由于硼的引入，SiBCN前驱体在陶瓷转化过程中生成BN/B4C相，BN/B4C相本身具有较好的高温热稳定性，提高了材料析晶温度，大大提高陶瓷基体的耐高温性能，其常温及高温力学性能和抗氧化性能表现优异。PIP工艺(前驱体浸渍裂解工艺)是制备C/SiBCN复合材料的主要制备工艺。PIP工艺技术是在一定真空度下将聚硼硅氮烷溶液浸渍到多孔碳纤维预制体内，然后经过压力浸渍和压力固化，最后在一定温度下使聚硼硅氮烷发生裂解得到SiBCN基体，从而制得C/SiBCN复合材料。Lee等采用含硼小分子化合物与低黏度的聚硅氮烷共混作为SiBCN陶瓷前驱体，采用PIP方法制备了C/SiBCN陶瓷基复合材料，其室温抗弯强度为255MPa(参见：刘伟,曹腊梅,王岭,etal.RTM成型工艺对Cf/SiBCN陶瓷基复合材料性能的影响[J].材料工程,2015,43(006):1-6.)。中科院化学所王秀军等采用聚硼硅氮烷(P-SiBCN)为前驱体采用PIP工艺制备C/SiBCN陶瓷基复合材料，其室温弯曲强度达334MPa(参见：王秀军,张宗波,曾凡,等.碳纤维增强SiBCN陶瓷基复合材料的制备及性能[J].宇航材料工艺,2013,43(2):47-50.)。中国专利申请CN104591768A采用硅炔改性SiBCN前驱体，采用PIP工艺制备C/SiBCN复合材料，室温弯曲强度也仅能达374MPa。综上所述，目前C/SiBCN复合材料的力学性能相对较低，有待进一步提升。因此，非常有必要提供一种力学性能优异的高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法和应用。本专利技术在第一方面提供了一种高性能C/SiBCN复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)在碳纤维预制体的表面制备C界面层、SiC界面层和/或由C界面层和SiC界面层交替沉积组成的(C/SiC)n交替界面层，得到改性碳纤维预制体；(2)以液态SiBCN前驱体作为浸渍液通过真空浸渍/原位固化/中压裂解的PIP工艺对所述改性碳纤维预制体进行SiBCN基体致密化，得到高性能C/SiBCN复合材料。优选地，所述真空浸渍/原位固化/中压裂解的PIP工艺包括如下子步骤：(a)将所述改性碳纤维预制体置于真空袋中以所述液态SiBCN前驱体作为浸渍液进行真空浸渍；(b)将装有真空浸渍了液态SiBCN前驱体的所述改性碳纤维预制体的真空袋放入固化罐内使真空浸渍了液态SiBCN前驱体的所述改性碳纤维预制体进行原位固化，得到碳纤维复合材料；(c)将所述碳纤维复合材料从真空袋中取出后再置于中压裂解炉内进行高温中压裂解。优选地，所述真空浸渍的时间为1.5～3h；和/或所述原位固化的温度为180～280℃，所述原位固化的时间为3～6h；和/或在氮气气氛或氩气气氛中进行所述高温中压裂解，所述高温中压裂解的温度为800～1100℃，所述高温中压裂解的压力为2MPa～6MPa，所述高温中压裂解的时间为2～7h。优选地，重复步骤(2)4～6次。优选地，在所述(C/SiC)n交替界面层中，n＝1～3。优选地，所述改性碳纤维预制体的密度为0.2～0.80g/cm3。优选地，所述液态SiBCN前驱体的粘度小于20mPa·s。优选地，所述高性能C/SiBCN复合材料的密度不低于1.9g/cm3，室温弯曲强度不低于700MPa，1000℃空气气氛下的弯曲强度不低于500MPa，1400℃惰性气氛下的弯曲强度不低于650MPa。本专利技术在第二方面提供了由本专利技术在第一方面所述的制备方法制得的高性能C/SiBCN复合材料。本专利技术在第三方面提供了由本专利技术在第一方面所述的制备方法制得的高性能C/SiBCN复合材料作为热结构复合材料的应用。本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：(1)本专利技术采用CVI工艺制备合适的界面层，在一些更优选的实施方案中，通过PyC与SiC的交替结构设计从而实现典型的复合材料(X/Y)n界面层结构，当裂纹扩展到复合界面层时，裂纹将会在各亚层之间进行转向传播，实现其增韧功能，从而提高复合材料的力学性能。(2)本专利技术采用真空浸渍/原位固化/中压裂解的PIP工艺进行SiBCN基体致密化，采用原位固化工艺，避免了固化过程中液态SiBCN前驱体的流出，提高了浸渍深度及浸渍效率，同时采用中压裂解工艺，减小了SiBCN基体裂纹，明显降低了复合材料的孔隙率，提高了复合材料的力学性能。(3)本专利技术一些优选的实施方案中制得的所述高性能C/SiBCN复合材料的密度不低于1.9g/cm3，室温弯曲强度不低于700MPa，1000℃空气气氛下的弯曲强度不低于500MPa，1400℃惰性气氛下的弯曲强度不低于650MPa，其力学性能远远优于现有的C/SiBCN复合材料。附图说明图1是本专利技术实施例3制得的高性能C/SiBCN复合材料的微观形貌图(SEM图)。图2是本专利技术实施例3制备的C/SiBCN复合材料的应力-应变曲线。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术在第一方面提供了一种高性能C/SiBCN复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)在碳纤维预制体的表面制备C界面层、SiC界面层和/或由C界面层和SiC界面层交替沉积组成的(C/SiC)n交替界面层，得到改性碳纤维预制体；在本专利技术中，所述碳纤维预制体例如可以采用针刺结构、二维碳布叠层缝合结构或细编穿刺等3D结构多孔碳纤维预制体；在本专利技术中，例如可以采用CVI工艺制备所述C界面层、所述SiC界面层和/或所述(C/SiC)n交替界面层；在本专利技术中，也将(C/SiC)n交替界面层记作C、SiC交替界面层；(2)以液态SiBCN前驱体(液态聚硼硅氮烷)作为浸渍液通过真空浸渍/原位固化/中压裂解的PIP工艺(前驱体浸渍裂解工艺)对所述改性碳纤维预制体进行SiBCN基体致密化，优选为经多个PIP循环后得到高性能C/SiBCN复合材料；在本专利技术中，例如可以重复步骤(2)多次(例如4～6次)，得到所述高性能C/SiBCN复合材料。本专利技术先在碳纤维预制体的碳纤维表面制备C界面层、SiC界面层和/或C、SiC交本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能C/SiBCN复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n(1)在碳纤维预制体的表面制备C界面层、SiC界面层和/或由C界面层和SiC界面层交替沉积组成的(C/SiC)

【技术特征摘要】
1.一种高性能C/SiBCN复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)在碳纤维预制体的表面制备C界面层、SiC界面层和/或由C界面层和SiC界面层交替沉积组成的(C/SiC)n交替界面层，得到改性碳纤维预制体；
(2)以液态SiBCN前驱体作为浸渍液通过真空浸渍/原位固化/中压裂解的PIP工艺对所述改性碳纤维预制体进行SiBCN基体致密化，得到高性能C/SiBCN复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空浸渍/原位固化/中压裂解的PIP工艺包括如下子步骤：
(a)将所述改性碳纤维预制体置于真空袋中以所述液态SiBCN前驱体作为浸渍液进行真空浸渍；
(b)将装有真空浸渍了液态SiBCN前驱体的所述改性碳纤维预制体的真空袋放入固化罐内使真空浸渍了液态SiBCN前驱体的所述改性碳纤维预制体进行原位固化，得到碳纤维复合材料；
(c)将所述碳纤维复合材料从真空袋中取出后再置于中压裂解炉内进行高温中压裂解。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述真空浸渍的时间为1.5～3h；和/或
所述原位固化的温度为180～280℃，所述原位固化的时间为3～6h；和/或
在氮气气氛或氩气气氛中进行所述高温中压裂解，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓东，刘俊鹏，于新民，霍鹏飞，王涛，张宝鹏，宋环君，王鹏，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11