一种高致密度陶瓷基复合材料及制备方法技术

本发明专利技术属于复合材料热防护技术领域，本发明专利技术提供了一种高致密度陶瓷基复合材料及制备方法和应用。所述方法包括如下步骤：(1)提供经PIP工艺制备的陶瓷基复合材料；(2)采用有机溶剂稀释聚硅氮烷，得到Si3N4前驱体溶液；(3)采用所述Si3N4前驱体溶液作为浸渍液对所述陶瓷基复合材料依次进行浸渍、固化和裂解步骤，得到高致密度陶瓷基复合材料。本发明专利技术还提供了由所述方法所制得的复合材料。本发明专利技术方法能够优化PIP法工艺制陶瓷基复合材料的力学性能，在拉伸强度、弯曲强度等力学性能方面均有一定程度的提高，从而提高了陶瓷基复合材料的综合性能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种高致密度陶瓷基复合材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料热防护
，尤其涉及一种高致密度陶瓷基复合材料及制备方法。

技术介绍

[0002]陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、高硬度、抗氧化、力学性能优异等特点，作为高温热结构材料，在航天航空领域得到广泛应用。目前陶瓷基复合材料成型工艺方法有化学气象渗透法(CVI)、先驱体转化法(PIP)和反应熔融渗透法(RMI)。
[0003]PIP工艺具有浸渍深度大，产品密度梯度小等优点，但由于PIP工艺所用聚碳硅烷在裂解过程中有大量小分子溢出，造成裂解产物为膨胀发泡状态，内部有大量孔洞，即使经过多次PIP工艺过程仍无法实现孔洞的全部填充，因此造成PIP工艺制备的C/SiC复合材料材料内部孔隙率较高(>12％)，力学性能偏低，长时抗氧化能力不足。
[0004]提高PIP工艺制备C/SiC复合材料性能的方法，一般采用CVI与PIP复合工艺，即前期采用CVI工艺实现纤维束内微孔的基体致密化，后期采用PIP工艺实现纤维束间大孔的基体致密化，可充分发挥CVI工艺和PIP工艺各自的优点，但该复合工艺制备的C/SiC复合材料内部仍有大量孔洞，孔隙率一般>10％。为进一步降低C/SiC复合材料孔隙率，在复合工艺末期采用低分子量的聚碳硅烷进行PIP工艺，孔隙率有一定降低，但效果不明显。
[0005]针对上述问题，非常有必要提供一种提高PIP工艺制陶瓷基复合材料性能的方法及由此制得的综合性能优异的陶瓷基复合材料。
专利技术内容
[0006]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致密度陶瓷基复合材料及制备方法。本专利技术方法能够优化PIP法工艺制陶瓷基复合材料的力学性能，在拉伸强度、弯曲强度等力学性能方面均有一定程度的提高，从而提高了陶瓷基复合材料的综合性能。
[0007]具体地说，本专利技术在第一方面提供了一种高致密度陶瓷基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0008](1)提供经PIP工艺制备的陶瓷基复合材料；
[0009](2)采用有机溶剂稀释聚硅氮烷，得到Si3N4前驱体溶液；
[0010](3)采用所述Si3N4前驱体溶液作为浸渍液对所述陶瓷基复合材料依次进行浸渍、固化和裂解步骤，得到高致密度陶瓷基复合材料。
[0011]本专利技术在第二方面提供了一种高致密度陶瓷基复合材料，所述高致密度陶瓷基复合材料通过本专利技术第一方面所述的制备方法制得。
[0012]实施本专利技术的制备方法，具有以下有益效果：
[0013]本专利技术方法在PIP法工艺后引入Si3N4浸渍裂解工艺，聚硅氮烷溶液浸润性好，可进一步浸入已很致密的C/SiC、C/SiC
‑
ZrC等复合材料中，进行微裂纹、微孔隙的填封，减少
复合材料基体中的孔洞和裂纹；本专利技术方法能够优化PIP法工艺制陶瓷基复合材料的力学性能，在拉伸强度、弯曲强度等力学性能方面均有一定程度的提高，从而提高了陶瓷基复合材料的综合性能；本专利技术方法特别适用于厚度较大、结构较为复杂产品；本专利技术方法得到的C/SiC复合材料内部孔洞和裂纹被Si3N4填封，提高了材料致密性，降低了材料的孔隙率，从而提升了复合材料的综合性能和使用寿命。
具体实施方式
[0014]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施方式，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。
[0015]如上所述，本专利技术在第一方面提供了种高致密度陶瓷基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0016](1)提供经PIP工艺制备的陶瓷基复合材料；
[0017](2)采用有机溶剂稀释聚硅氮烷，得到Si3N4前驱体溶液；
[0018](3)采用所述Si3N4前驱体溶液作为浸渍液对所述陶瓷基复合材料依次进行浸渍、固化和裂解步骤，得到高致密度陶瓷基复合材料。
[0019]在本专利技术中，所述陶瓷基复合材料例如可以为碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC陶瓷基复合材料)、碳纤维增强碳化硅
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碳化锆陶瓷基复合材料(C/SiC
‑
ZrC陶瓷基复合材料)；在本专利技术将步骤(1)提供的经PIP法(先驱体转化法)工艺制备的陶瓷基复合材料例如C/SiC、C/SiC
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ZrC当作半成品陶瓷基复合材料；在本专利技术中，C/SiC、C/SiC
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ZrC等半成品陶瓷基复合材料例如采用现有PIP工艺制备得到。
[0020]本专利技术以聚硅氮烷溶液作为浸渍液通过前驱体浸渍裂解法(PIP法)对PIP工艺制备的陶瓷基复合材料依次进行浸渍、固化和裂解的步骤(浸渍固化裂解)，以提高PIP工艺制陶瓷基复合材料的性能，得到综合性能优异的陶瓷基复合材料。在本专利技术中，以聚硅氮烷溶液作为浸渍液通过PIP法(前驱体浸渍裂解法)工艺对PIP工艺制得的所述半成品陶瓷基复合材料进行浸渍裂解，对复合材料的微孔隙和微裂纹进行填封，使PIP法工艺制得的C/SiC、C/SiC
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ZrC等复合材料的性能提高，从而得到了性能优化的复合材料。
[0021]本专利技术方法在PIP法工艺后引入Si3N4前驱体溶液浸渍裂解工艺，作为Si3N4前驱体的聚硅氮烷溶液浸润性好，可进一步进入已很致密的C/SiC、C/SiC
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ZrC等复合材料中，进行微裂纹、微孔隙的填封，减少复合材料基体中的孔洞和裂纹；本专利技术方法能够优化RMI法工艺制陶瓷基复合材料的力学性能，在拉伸强度、弯曲强度等力学性能方面均有一定程度的提高，从而提高了陶瓷基复合材料的综合性能。本专利技术方法周期短，工艺简单。
[0022]本专利技术方法得到的复合材料内部孔洞和裂纹被Si3N4填封，提高了材料致密性，降低了材料的孔隙率，从而提升了复合材料的综合性能和使用寿命。
[0023]优选的是，所述经PIP工艺制备的陶瓷基复合材料的密度为1.7至2.1g/cm3(例如为1.8、1.9或2.0g/cm3)。
[0024]在本专利技术的一些实施方式中，所述Si3N4前驱体溶液含有5至40wt％(例如为10、15、20、25、30或35wt％)的聚硅氮烷，优选为5至25wt％的聚硅氮烷。如果聚硅氮烷溶液浓度过
高，会减低聚硅氮烷溶液对复合材料的浸润性，使聚硅氮烷溶液无法进入复合材料内部填封，不能有效减少复合材料内部孔洞和裂纹进而提升材料性能；如果聚硅氮烷溶液浓度过低，对复合材料内部孔洞和裂纹的填封不足，同样不能有效提高材料性能。
[0025]在一些优选的实施方式中，所述有机溶剂为甲苯或二甲苯，优选为二甲苯。
[0026]在本专利技术的一些实施方式中，所述PIP工艺为PIP
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SiC工艺或PIP
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高致密度陶瓷基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)提供经PIP工艺制备的陶瓷基复合材料；(2)采用有机溶剂稀释聚硅氮烷，得到Si3N4前驱体溶液；(3)采用所述Si3N4前驱体溶液作为浸渍液对所述陶瓷基复合材料依次进行浸渍、固化和裂解步骤，得到高致密度陶瓷基复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述经PIP工艺制备的陶瓷基复合材料的密度为1.7至2.1g/cm3。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述Si3N4前驱体溶液含有5至40wt％优选为5至25wt％的聚硅氮烷。4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为甲苯或二甲苯，优选为二甲苯。5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述PIP工艺为PIP
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SiC工艺或PIP
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【专利技术属性】
技术研发人员：霍鹏飞，金鑫，李鹏鹏，刘伟，刘俊鹏，于新民，李晓东，
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：