一种纳米浸渍瞬态共晶制备单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米浸渍瞬态共晶制备单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料的方法。首先采用单晶碳化硅纳米纤维为原料，利用化学气相沉积法在纤维表面沉积界面层；将含界面层的纳米纤维分散造浆，经抄浆造纸工艺制备三维网络结构的SiC纳米纤维纸；将上述纤维纸放入含烧结助剂、碳化硅粉体、分散剂的纳米浆料中真空浸渍；待真空浸渍完全后，将SiC预浸带/片取出干燥，然后将干燥后的预浸带/片在模具中进行叠层模压成型；将成型后的预制体放入石墨模具中热压烧结完成制备。本发明专利技术与传统的碳化硅陶瓷相比，具有更高的断裂韧性和强度，对于探索新型SiCf/SiC复合材料具有重要意义。对于探索新型SiCf/SiC复合材料具有重要意义。对于探索新型SiCf/SiC复合材料具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米浸渍瞬态共晶制备单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料的方法


[0001]本专利技术涉及碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，特别是涉及一种纳米浸渍瞬态共晶制备单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料的制备技术。

技术介绍

[0002]碳化硅陶瓷材料具备质轻、抗氧化、抗热震、抗辐射、耐高温等性能优异特点，在航空、航天、汽车和核反应堆等领域有着非常广阔的应用前景。但是SiC陶瓷的本质脆性、可靠性差等特点对其作为结构材料在各领域的应用与发展产生了不利的影响。因此，开发高强度高韧性碳化硅陶瓷基复合材料的制备技术对碳化硅陶瓷的应用和结构陶瓷的发展有着重要意义。
[0003]目前，碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法主要有前驱体裂解法(PIP)、熔渗法(MI)、化学气相渗透法(CVI)、纳米浸渍瞬态共晶法(NITE)等。CVI工艺是将先驱体通入反应炉内，在多孔纤维织物预制体内部连续、多次沉积某种物质来制备复合材料，其制备的陶瓷基体纯度高、晶型完整，但该工艺周期长，制备成本高，且较难实现SiCf/SiC复合材料的高度致密化。PIP工艺是在一定的温度和压力下，将适当理论原子比的液态聚合物(如聚碳硅烷、聚硅烷等)浸渗到多孔纤维织物预制体中，在惰性气体保护下进行交联固化，然后高温热解处理使先驱体聚合物转化为陶瓷基体，由于热解过程中伴随着小分子逸出形成的气孔和基体热解后的体积收缩，需要多次反复进行浸渍－固化－热解，但制备的SiC/SiC复合材料仍具有较大的孔隙率。MI工艺是通过在高温下将熔融Si渗入碳化硅纤维增强的多孔体制备出SiC基复合材料，与前两种工艺相比，制备的复合材料致密性较高、孔隙率显著降低，但由于复合材料中存在一定含量的游离硅，在高温下可能会发生反应或挥发使材料的强度降低，不利于复合材料在高温下长时间使用。NITE工艺是通过纳米SiC粉末浸渍SiC纤维后进行热压烧结，从而制备高致密、高性能SiC/SiC复合材料。
[0004]目前，碳化硅陶瓷基复合材料仍然存在脆性大、致密度不高、可靠性差等问题。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术通过对氧化铝基共晶陶瓷瞬态共晶凝固组织的结构进行分析，并对增强体进行界面结构设计，提出了一种纳米浸渍瞬态共晶制备单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料的方法。该专利技术通过纳米碳化硅纤维的气相包覆、纳米SiC纤维纸的制备以及纳米预浸带/片的制备，经进一步模压成型以及热压烧结等工艺制备出单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料。本专利技术通过单层和多层的增强体界面设计、纳米预浸带/片的模压成型结构设计、NITE工艺中烧结助剂高温下液相传质作用，所制备的复合材料具有韧性高，强度大等突出优势。
[0006]本专利技术采用的技术方案包括以下步骤：
[0007]1)SiC纳米纤维的界面包覆层制备：将棉絮状的单晶碳化硅纳米纤维放入管式炉
中进行CVD沉积，获得含界面层的纳米纤维；
[0008]2)SiC纳米纤维纸的制备：将含界面层的碳化硅纳米纤维在溶液中分散，采用抄浆造纸工艺，获得三维网络结构的纳米纤维纸；
[0009]3)纳米浆料制备：将碳化硅微纳粉体、烧结助剂、溶剂、分散剂混合分散，获得纳米浸渍浆料；
[0010]4)预浸带/片制备：将步骤2)中的纳米纤维纸放入步骤3)的浆料中真空浸渍，待浸渍完全后取出干燥获得预浸带/片；
[0011]5)纳米纤维纸预浸带/片叠层模压成型：将步骤4)获得的预浸带/片在模具中进行叠层，然后模压成型；
[0012]6)热压烧结：以热压烧结的方式对步骤5)中模压成型后的预制体进行烧结成型，获得单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料。
[0013]所述步骤1)具体为：
[0014]在管式炉中通入体积比为1:(3～5)的反应气体与保护气体，置于管式炉内的单晶碳化硅纳米纤维通过化学气相沉积法(CVD)获得沉积厚度为5nm～50nm的界面包覆层；
[0015]化学气相沉积法的反应条件为：在1100℃～1300℃的温度条件下保温1～10h，反应压力为0.015MPa～0.03MPa。
[0016]所述的反应气体为甲烷、丙烷、三氯化硼、氨气等，所述的保护气体为氩气、氮气等惰性气体。
[0017]所述的界面层由单层PyC、BN、SiC或复合界面层(PyC
‑
SiC)n、(BN
‑
SiC)n、(BN/PyC)n构成。
[0018]所述步骤2)具体为：
[0019]将含界面层的碳化硅纳米纤维以磁力搅拌的方式在水溶液中分散，然后利用竹帘网在分散后的碳化硅纳米纤维溶液中将碳化硅纳米纤维抄浆成型，最后进行干燥获得三维网络结构的纳米纤维纸。
[0020]所述干燥的条件为：在100～500N的压力下置于100～150℃的加热平台上干燥成型，以保持纳米纤维纸的平整度和完整性。
[0021]干燥后获得的纳米纤维纸厚度为0.1mm～2mm。
[0022]所述步骤3)中：
[0023]碳化硅微纳粉体、烧结助剂、溶剂、分散剂的质量比为(7～9):1:(50～75):(0.1～0.3)；混合分散方式为球磨或搅拌；
[0024]优选的质量比为8:1:(50～60):0.2。
[0025]所述球磨的方式为以(4～8):1的球料质量比，在(150
‑
400)r/min的转速下球磨6～12h。所述球磨方式为高能球磨、振动球磨、行星式球磨等；
[0026]所述搅拌方式为机械搅拌或磁力搅拌。
[0027]所述溶剂为水或无水乙醇。
[0028]所述步骤4)具体为：
[0029]将纳米纤维纸浸没在浆料中，然后放入真空度为
‑
0.06～
‑
0.1MPa的真空干燥箱中真空浸渍，保压时间为0.5～2h；在80℃～100℃下干燥浸渍完全后的纳米纤维纸和剩余浆料，烘干后获得预浸带/片和浆料粉体。
[0030]所述步骤5)具体为，
[0031]将预浸带/片和浆料粉体以叠层的方式交替平铺在模具中，相邻两张预浸带/片之间平铺有浆料粉体，在一定的模压条件下对叠层放置的多张纳米预浸带/片进行模压成型，制备得到均一预制体。
[0032]均一预制体中浆料粉体质量为0.1g～2g。
[0033]所述的模压条件为在10MPa～30MPa的压力下保压10min～30min，压力过大易造成纤维断裂，影响复合材料的整体性能。
[0034]所述步骤6)中：
[0035]热压烧结是将预制体放入热压烧结炉中以5～10℃/min的升温速率升温至1700℃～1900℃，然后在10MPa～30MPa的压力下保温1h烧结成型。
[0036]优选的反应温度为1850℃；优选的烧结压力为30MPa。
[0037]本专利技术提出在热压烧结炉中，采用纳米浸渍瞬态共晶法制备单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料。本专利技术所制备的三维网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米浸渍瞬态共晶制备单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)SiC纳米纤维的界面包覆层制备：将棉絮状的单晶碳化硅纳米纤维放入管式炉中进行CVD沉积，获得含界面层的纳米纤维；2)SiC纳米纤维纸的制备：将含界面层的碳化硅纳米纤维在溶液中分散，采用抄浆造纸工艺，获得三维网络结构的纳米纤维纸；3)纳米浆料制备：将碳化硅微纳粉体、烧结助剂、溶剂、分散剂混合分散，获得纳米浸渍浆料；4)预浸带/片制备：将步骤2)中的纳米纤维纸放入步骤3)的浆料中真空浸渍，待浸渍完全后取出干燥获得预浸带/片；5)纳米纤维纸预浸带/片叠层模压成型：将步骤4)获得的预浸带/片在模具中进行叠层，然后模压成型；6)热压烧结：以热压烧结的方式对步骤5)中模压成型后的预制体进行烧结成型，获得单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种纳米浸渍瞬态共晶制备单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：在管式炉中通入体积比为1:(3～5)的反应气体与保护气体，置于管式炉内的单晶碳化硅纳米纤维通过化学气相沉积法获得沉积厚度为5nm～50nm的界面包覆层；化学气相沉积法的反应条件为：在1100℃～1300℃的温度条件下保温1～10h，反应压力为0.015MPa～0.03MPa。3.根据权利要求1所述的一种纳米浸渍瞬态共晶制备单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤2)具体为，将含界面层的碳化硅纳米纤维以磁力搅拌的方式在水溶液中分散，然后利用竹帘网在分散后的碳化硅纳米纤维溶液中将碳化硅纳米纤维抄浆成型，最后进行干燥获得三维网络结构的纳米纤维纸。4.根据权利要求3所述的一种纳米浸渍瞬态共晶制备单晶碳化硅纳米纤维/碳化硅陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，所述干燥的条...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建军，杨佳豪，李浩林，熊艺莲，朱明明，陶吉雨，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：