一种杂化基体碳化硅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杂化基体碳化硅基复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。本发明专利技术基于液相前驱体转化工艺，首先通过织物骨架定型和前期致密化，获得一定密度的无机态碳化硅基复合材料多孔毛坯，之后通过在多孔毛坯中直接浸渍有机前驱体，并进行原位固化及后固化，获得轻质、高强的有机/无机杂化基体碳化硅基复合材料，该设计思路实现了轻质、高致密度的树脂基复合材料与高温、抗烧蚀陶瓷基复合材料的有机结合，与临近空间飞行器主被动段服役环境差异性需求更加匹配。通过调控前驱体组成、致密化轮次及处理温度，可以获得不同耐温及力学性能的杂化基体复合材料，满足不同应用环境需求，该方法具有适用性广、制造周期短、成本低等显著特点。本低等显著特点。

【技术实现步骤摘要】
一种杂化基体碳化硅基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料
，特别涉及一种杂化基体碳化硅基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]临近空间高超声速飞行器具有速度快、机动性高、精确度高、破坏性强等突出特点，可实现快速响应、高精度打击及远程投送任务，由于其极强的威慑力和突出的军事价值，成为近年来世界各国竞先发展的重要战略武器。临近空间飞行器超高速、大机动、长航时等特性对轻质、高强的高温防热/热结构材料在超常服役环境下的防热性能及高温承载性能提出了迫切需求。
[0003]先进耐高温树脂基防热材料是一类应用广泛的轻质防热复合材料，具有低密度、短周期、低成本、高强度、高刚度等显著特点，且随着新型结构树脂开发及改性技术的应用，树脂基复合材料的耐温性有了很大的提升。但受树脂高温热解温度的限制，相比高温金属及陶瓷基复合材料，树脂基复合材料的长时耐温性和高温力学性能仍然较低，一般都需要依赖金属冷结构，导致整体重量偏重，难以满足临近空间飞行器轻质化的需求。而以碳化硅为代表的陶瓷基复合材料具有耐高温、抗氧化、抗烧蚀及优良的高温力学性能等重要特性，是新型临近空间高超声速飞行器防热与热结构材料的重要候选材料，但陶瓷基复合材料制备周期长、成本高、复合应力大及难加工等特点也限制了其工程应用。
[0004]因而，亟需研发提供一种轻质、高强、耐高温防热复合材料的快速、低成本的制备方法，并满足多型号应用差别化需求。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术中的不足，本专利技术人进行了锐意研究，提供了一种杂化基体碳化硅基复合材料及其制备方法，开发的新型有机无机杂化基体陶瓷基复合材料有望吸收树脂基和陶瓷基复合材料的双重优点，实现轻质、高强、耐高温防热复合材料的快速、低成本制备及多型号应用差别化需求，从而完成本专利技术。
[0006]本专利技术提供的技术方案如下：
[0007]第一方面，一种杂化基体碳化硅基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1，采用耐高温无机纤维制备纤维预制体；
[0009]步骤2，采用含硅前驱体或碳基前驱体浸渍纤维预制体，结合仿形精密成型工装，经高温裂解处理，实施纤维预制体的骨架定型；
[0010]步骤3，采用液相含硅浸渍剂通过多轮次循环浸渍/裂解工艺，并结合复合防变形工装的实时维型，实施前期致密化，获得密度为1.4～1.9g/cm3中间状态碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯；
[0011]步骤4，将完成前期致密化的中间状态碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯在1200～1800℃条件下进行高温处理；
[0012]步骤5，采用含无机填料的液相含硅浸渍剂，通过真空吸入/压力组合浸渍方式，浸渍碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯；
[0013]步骤6，将完成浸渍的碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯装入烘箱或固化罐中，在100～300℃、0.1～2MPa下处理4～20h，实施复合材料有机基体的原位固化；
[0014]步骤7，对完成原位固化的碳化硅陶瓷基复合材料，在300～600℃、0.1～2MPa下处理2～15h，实施复合材料有机基体的后固化。
[0015]第二方面，一种杂化基体碳化硅基复合材料，通过上述第一方面所述的制备方法制得。
[0016]根据本专利技术提供的一种杂化基体碳化硅基复合材料及其制备方法，具有以下有益效果：
[0017]本专利技术提供的一种杂化基体碳化硅基复合材料的制备方法，基于液相前驱体转化工艺，首先通过织物骨架定型和前期致密化，获得一定密度的无机态碳化硅基复合材料多孔毛坯，之后通过在多孔毛坯中直接浸渍有机前驱体，并进行原位固化及后固化，获得有机/无机杂化基体碳化硅基复合材料的制备，且有机/无机杂化基体结构设计思路实现了轻质、高致密度的树脂基复合材料和高温、抗烧蚀陶瓷基复合材料的有机结合，与临近空间飞行器主被动段服役环境差异性需求更加匹配。同时，通过调控前驱体胶液组成、致密化轮次及处理温度，可以获得不同耐温及力学性能的碳化硅杂化基体复合材料，满足不同应用环境需求，且该方法具有适用性广、制造周期短、成本低等显著特点。
具体实施方式
[0018]下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0019]根据本专利技术的第一方面，提供了一种杂化基体碳化硅基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0020]步骤1，纤维预制体制备。按照轻质、高强、耐高温需求设计制备纤维预制体。纤维可选用炭纤维、碳化硅纤维等多种耐1200～1800℃高温的无机纤维，预制体结构可为二维铺层缝合结构、针刺结构、2.5D结构、三维四向结构等多种结构形式，具体结构参数及纤维铺叠方式依据力学性能指标及使用环境温度等要求确定。
[0021]步骤2，骨架定型。在获得纤维预制体后，采用固态聚碳硅烷溶液、液态聚碳硅烷等含硅前驱体或酚醛树脂、沥青等碳基前驱体浸渍纤维预制体，结合仿形精密成型工装精确成型，并通过在高温炉中600～1500℃下裂解处理2～5h，实现复合材料纤维预制体的骨架定型。
[0022]步骤3，前期致密化。在复合材料骨架定型基础上，采用固态聚碳硅烷溶液、液态聚碳硅烷或其他复配前驱体等液相含硅浸渍剂，通过2～10轮次循环浸渍/裂解工艺，并借助复合防变形工装的实时维型，实现碳化硅陶瓷基复合材料的前期致密化，获得密度为1.4～1.9g/cm3、具有孔隙的中间状态碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯。
[0023]本专利技术中杂化基体碳化硅基复合材料中的无机基体是在纤维预制体骨架定型及前期致密化阶段完成，通过调配液相含硅浸渍剂及致密化轮次可以有效控制复合材料中无机基体的成分及含量。
[0024]本专利技术人经过研究发现，不同液相含硅浸渍剂的陶瓷产率不同，在无机基体含量相同的情况下，陶瓷产率低的浸渍剂需要循环致密化轮次多，陶瓷产率高的浸渍剂需要循环致密化轮次少。同时，不同液相含硅浸渍剂的真密度也有所差异，真密度高的浸渍剂所得复合材料毛坯的密度较高，真密度低的浸渍剂所得复合材料毛坯的密度较低。因此，基于相关研究结果，确定前期致密化阶段所需的循环浸渍/裂解轮次为2～10轮次，对应复合材料多孔毛坯的密度为1.4～1.9g/cm3。
[0025]步骤4，高温处理。将完成前期致密化的中间状态碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯装入热处理炉中，在1200～1800℃条件下进行高温处理2～4h，实现碳化硅基复合材料基体组元的微结构优化及稳定化，并为复合材料的后续致密化提供开孔及浸渍通道。
[0026]步骤5，浸渍。采用含1～30wt％无机填料的液相含硅浸渍剂，通过真空吸入的方式浸没复合材料多孔毛坯，之后在1～3MPa压力下，对碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯进行压力浸渍1～5h。
[0027]碳化硅基复合材料复合后期制备有机基体所用的液相前驱体为高陶瓷产率前驱体，且添加的高温无机填料可依据服役温度及功能进行选配，满足不同应用环境对高温复合材料的差别化需求。
[0028]本专利技术将液相含硅浸渍本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种杂化基体碳化硅基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，采用耐高温无机纤维制备纤维预制体；步骤2，采用含硅前驱体或碳基前驱体浸渍纤维预制体，结合仿形精密成型工装，经高温裂解处理，实施纤维预制体的骨架定型；步骤3，采用液相含硅浸渍剂通过多轮次循环浸渍/裂解工艺，并结合复合防变形工装的实时维型，实施前期致密化，获得密度为1.4～1.9g/cm3中间状态碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯；步骤4，将完成前期致密化的中间状态碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯在1200～1800℃条件下进行高温处理；步骤5，采用含无机填料的液相含硅浸渍剂，通过真空吸入/压力组合浸渍方式，浸渍碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯；步骤6，将完成浸渍的碳化硅陶瓷基复合材料多孔毛坯装入烘箱或固化罐中，在100～300℃、0.1～2MPa下处理4～20h，实施复合材料有机基体的原位固化；步骤7，对完成原位固化的碳化硅陶瓷基复合材料，在300～600℃、0.1～2MPa下处理2～15h，实施复合材料有机基体的后固化。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军平，孙新，张国兵，刘宏瑞，龚晓冬，王昊，袁泽帅，路明辉，常京华，韩渤涛，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，
类型：发明
国别省市：