化学气相沉积碳与气相渗硅工艺联合制备SiCf/SiC复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种化学气相沉积碳与气相渗硅工艺联合制备ＳｉＣ↓［ｆ］／ＳｉＣ复合材料的方法，包括以下步骤：以ＳｉＣ纤维为原料，采用三维编织技术制备ＳｉＣ纤维编织件；以三氯甲基硅烷为沉积原料，对ＳｉＣ纤维编织件进行第一次化学气相沉积，沉积的ＳｉＣ涂层厚度为０．１～７０μｍ；再以甲烷或丙烯气体为原料，通过第二次化学气相沉积对ＳｉＣ纤维编织件沉积碳，得到ＳｉＣ↓［ｆ］／Ｃ中间体；最后以单质硅为原料，采用气相渗硅工艺对所述的ＳｉＣ↓［ｆ］／Ｃ中间体进行渗硅得到ＳｉＣ↓［ｆ］／ＳｉＣ复合材料。本发明专利技术具有制备周期短、成本低等优点，能够制备得到高致密性、高力学性能和热导性能的ＳｉＣ↓［ｆ］／ＳｉＣ复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及SiC基复合材料的制备方法，尤其涉及一种化学气相沉积碳与气相渗硅工艺 联合制备SiQ/SiC复合材料的方法。
技术介绍
SiC陶瓷由于其分子结构的键合特点，缺乏塑性变形能力，表现为脆性，严重影响了其作 为结构材料的应用。用SiC纤维增强SiC陶瓷，材料在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量，增强了材料的强度和韧性。SiCVSiC复合材料是航空航天和原子能等领域最理想的新一代高温结构材料，具有高强度、高刚性、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、高温抗氧化性、密度低、热膨胀系数小等优良性能， 而且具有高温热稳定、热导率高、纤维和基体间热应力小，热膨胀匹配、低的诱导辐射活性等优点。SiQ/SiC复合材料应用于航空航天发动机的结构部件，能在超高温度下使用，且密度 小、强度高，能显著提高发动机的推重比；用于原子能反应堆的堆壁材料则稳定性好、易维 护、安全可靠性高。因此，许多国家开展了SiCVSiC复合材料应用于高温热结构部件的研究，并取得了丰硕的成果。近年来SiQ/SiC复合材料的制备工艺也得到了极大发展，既有新工艺的出现，也有对已有 工艺的搭配与改进。作为有潜力的制备工艺，化学气相渗透(简称"CVr，可参见BRiccardi， L Giancarli, A Hasegawa, Y Katoh, Issues and advances in SiCf/SiC composites development for fusion reactors. Journal of Nuclear Materials, 2004. 329-333: 56-65.)、先驱体转化法(简称 "PIP")、热压烧结(简称"HP"，可参见Y Katoh, L L Snead, C H Henager Jr., A Hasegawa， Current status and critical issues for development of SiC composites for fusion applications. Journal of NuclearMaterials， 2007. 367-370: 659-671.)、纳米浸渍与瞬时共晶相工艺(简称"NITE"，可参 见Kazuya Shimoda， Joon-Soo Park, Tatsuya Hinoki, Akira Kohyama, Influence of pyrolytic carbon interface thickness on microstructure and mechanical properties of SiC/SiC composites by NITE process. Composites Science and Technology, 2007.)、反应烧结(简称"RS",可参见S P Lee, J S Park, Process,microstructure and flexural properties of reaction sintering Tyranno SA/SiC composites. Journal of Nuclear Materials, 2002. 307-311: 1191-1195.)以及它们之间的结合工 艺都得到了很大发展。CVI工艺制备的SiQ/SiC复合材料的p-SiC纯度与结晶度高，具有良好的 抗辐照能力，但其主要缺点在于制备的复合材料存在10% 15%的气孔率，降低了复合材料的力学性能和抗氧化性能，同时SiC基体致密化速度低，制备周期较长，成本高。与CVI工艺3相比，PIP工艺简单，成本低，且允许制备大型和复杂形状的构件，但仍存在孔隙率高、SiC 基体结晶度不高、抗辐照能力差等缺点。HP工艺可获得高密度复合材料，但高温高压环境对 SiC纤维易造成损伤，导致SiQ/SiC复合材料性能不高。NITE工艺制备的SiQ/SiC复合材料虽 然能实现较高的致密度和结晶度，化学稳定性好，但杂质含量较高，分布不均匀，SiC纤维易 与基体发生化学反应，导致材料无法完全致密和达到化学计量比，影响热导率及辐照性能。 RS工艺周期短，设备要求相对较低，成本低廉，可实现完全致密、高热导率、近净成型及复 杂形状构件的制备；然而，RS工艺主要是通过先形成具有一定孔隙的碳架结构，然后通过高 温下与硅反应，将碳转化为SiC，现有的RS工艺几乎都是采用液相渗硅的方法，由于熔融硅 在毛细作用下进入孔隙时容易发生堵塞而造成缺陷，使得材料性能表现欠佳。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种制备周期短、成本低、且能 获得高致密性、高力学性能、高热导性能及抗辐照产品的化学气相沉积碳与气相渗硅工艺联 合制备SiC/SiC复合材料的方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为一种化学气相沉积碳(CVD)与气相渗 硅工艺联合制备SiQ/SiC复合材料的方法，包括以下步骤(1) SiC纤维编织以SiC纤维为原料，采用三维编织工艺制备SiC纤维编织件；(2) 化学气相沉积SiC涂层以三氯甲基硅烷(MTS)为沉积原料，将上述SiC纤维编 织件放置于真空炉内进行化学气相沉积，沉积的SiC涂层厚度为0.1 70G)化学气相沉积碳再以甲垸或丙烯气体为原料，对上述沉积SiC涂层后的SiC纤维 编织件进行化学气相沉积碳，得到密度为1.2 1.9 g/cm3的SiQ/C中间体；(4)气相渗硅以单质硅为原料，采用气相渗硅工艺对所述的SiQ/C中间体进行渗硅 得到SiC/SiC复合材料。上述技术方案的化学气相沉积SiC涂层步骤中，所述化学气相沉积SiC涂层的工艺参数 优选为沉积温度为700°C 1500'C;载气体为H2， H2的流量为0.01 0.20 m3*!!-1;稀释气 体为氩气，氩气的流量为0.01 0.60m^h";沉积压力为0.1 10KPa，沉积时间为1 100h。上述技术方案的化学气相沉积碳步骤中，所述化学气相沉积碳的工艺参数优选为所述 原料甲垸或丙烯的流量为0.01 0.10m3*h",沉积温度为800°C 1300°C，载气体为H2或N2， 载气体气氛压力为200 1500Pa，载气体流量为0.05 0.15m^h—1，沉积时间为40 200 h。上述技术方案的气相渗硅步骤中，所述气相渗硅工艺的工艺参数优选为真空度为 6 50Pa，温度为1450°C 1950°C，保温时间为1 6h。与现有技术相比，本专利技术的工艺能够有效避免在渗硅反应过程中造成的孔隙缺陷，本发 明通过采用化学气相沉积碳与气相渗硅工艺相结合，利用气相硅的高扩散性，减小了堵塞现象，能够获得高致密度、高性能(例如较好的力学和导热性能)的SiCf/SiC复合材料。本专利技术的优点还具体体现在首先，采用本专利技术的工艺可制备出完全致密的SKVSiC复合材料， 满足高密封性能的要求；其次，利用本专利技术工艺制备的SKVSiC复合材料具有结晶程度高的 特性，能够满足抗辐照等特殊要求；再次，本专利技术的工艺有利于净成型、复杂形状构件的制 备；最后，采用本专利技术的工艺可较大程度縮短生产周期，降低生产成本。 附图说明图1为本专利技术实施例1制备得到的SiQ/SiC复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化学气相沉积碳与气相渗硅工艺联合制备ＳｉＣ↓［ｆ］／ＳｉＣ复合材料的方法，包括以下步骤：　（１）ＳｉＣ纤维编织：以ＳｉＣ纤维为原料，采用三维编织工艺制备ＳｉＣ纤维编织件；　（２）化学气相沉积ＳｉＣ涂层：以三氯甲基硅烷为沉积原 料，对上述ＳｉＣ纤维编织件进行化学气相沉积，沉积的ＳｉＣ涂层厚度为０．１～７０μｍ；　（３）化学气相沉积碳：以甲烷或丙烯气体为原料，对上述沉积ＳｉＣ涂层后的ＳｉＣ纤维编织件进行化学气相沉积碳，得到密度为１．２～１．９ｇ／ｃｍ↑［３］的 ＳｉＣ↓［ｆ］／Ｃ中间体；　（４）气相渗硅：以单质硅为原料，采用气相渗硅工艺对所述的ＳｉＣ↓［ｆ］／Ｃ中间体进行渗硅得到ＳｉＣ↓［ｆ］／ＳｉＣ复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周新贵，张长瑞，吴宜灿，王军，黄群英，曹英斌，刘荣军，王洪磊，于海蛟，赵爽，罗征，黄泽兰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]