[发明专利]碳纤维增强碳化硅复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料及部件的制备方法，尤其涉及一种碳化硅基复合材料的制备方法。

背景技术

碳纤维增强碳化硅复合材料(C/SiC)充分结合了碳纤维和碳化硅(SiC)基体的优势，表现出低密度、高强度、高韧性、耐高温、耐烧蚀、抗冲刷、高硬度和高耐磨性等特点。目前普遍认为，C/SiC复合材料在航空航天、能源技术、化工、交通工业等领域具有广阔的应用前景。而先驱体浸渍-裂解工艺(precursor infiltration pyrolysis，PIP)是近十年来发展极为迅速的一种材料制备新工艺，即通过有机先驱体在高温下的裂解转化得到无机陶瓷基体，该工艺已广泛应用于C/SiC复合材料的制备。目前，PIP工艺制备C/SiC复合材料所采用的先驱体为聚碳硅烷(Polycarbosilane，PCS)，由于其合成的复杂性，PCS的价格十分昂贵，这在一定程度上限制了PIP工艺制备C/SiC复合材料的广泛应用。合成陶瓷产率更高、价格更低廉的先驱体是从根本上解决PIP工艺制备C/SiC复合材料成本高、周期长的关键所在，但近期内还无法实现。在目前常用的单组分PCS/二甲苯(xylene)体系上做一些改进，以提高先驱体的利用率，也是节约原料成本的一个重要途径。PCS/xylene体系是目前PIP工艺应用较多的浸渍溶液，具有可以任意调节粘度的优点，但是在裂解过程中，PCS经历再次熔融流出、发泡逸出等过程，导致利用率很低，从而延长了复合材料的制备周期；另外，xylene毒性大，操作环境恶劣，会对操作人员身体健康造成一定危害。近年来，双组分PCS/二乙烯基苯(DVB)体系因其溶液挥发性低，成型温度低且陶瓷产率高而受到广泛重视，可以显著缩短制备周期。然而，目前采用的PCS/DVB进行真空浸渍后在容器中原位固化，致使固化后的先驱体无法再利用，造成了极大的浪费。同时，PCS/DVB体系也存在着稳定性差、无法长期保存，需现用现配等不足。另外，DVB作为溶剂的同时又是交联剂，所以DVB的引入会引起PCS/DVB最终裂解产物游离碳含量的增加，给最后C/SiC复合材料的抗氧化性能带来负面影响。因此，如何改善双组分PCS/DVB的贮存性能及配制低DVB配比的PCS/DVB体系是当前一个重要的研究内容。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能节省原料成本、提高原料利用率、毒性低、陶瓷产率高、制备周期短、并能保证PCS/DVB体系储存稳定性的碳纤维增强碳化硅复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种碳纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，包括下列步骤：

(1)配制先驱体溶液：取质量比为1∶(0.3～1)∶(0～0.5)的聚碳硅烷、二乙烯基苯和助溶剂混合，充分搅拌至聚碳硅烷溶解(搅拌时间可控制在2～5小时)；再往混合溶液中加入酚类或醌类阻聚剂，添加量为二乙烯基苯质量的0.1～5％，搅拌使其分散均匀(搅拌时间可控制在0.5～10小时)，配得先驱体溶液；

(2)真空浸渍：将纤维预制件置于浸渍罐后抽真空，使真空度小于100Pa，再关闭真空泵，将上述配制好的先驱体溶液加入浸渍罐中，使纤维预制件完全浸渍于液面以下并保持2～10小时；

(3)交联固化：将真空浸渍后的纤维预制件取出晾干，一般自然晾干2～10小时即可，再置于烘箱内交联固化，固化机制为采用80～120℃保温1～5小时后再升温到150～250℃固化1～5小时；

(4)高温裂解：将交联固化后的纤维预制件进行800～1800℃的高温裂解，裂解时间为0.5～2小时，进行高温裂解前可先抽真空至真空度低于100Pa后再通入惰性气体或通氮气进行保护；

(5)致密化：周期性地重复上述真空浸渍-交联固化-高温裂解工艺流程，直至得到致密化的碳纤维增强碳化硅复合材料。

上述助溶剂可以为苯、甲苯、二甲苯、四氢呋喃、正己烷或环己烷。

上述酚类或醌类阻聚剂可以为对苯二酚、对苯醌、4-叔丁基邻苯二酚或二硝基苯酚。

在进行上述制备方法的交联固化步骤时，可以是先在120℃的温度下保持3小时，然后升温至180℃保持3小时。

与现有技术相比，本发明的优点在于：