[发明专利]一种基于熔渗预制体孔隙结构调控的碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种基于熔渗预制体孔隙结构调控的碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，包括：（1）将纤维布浸渍于碳化硅浆料中并取出，得到纤维浸渍片后再经裁剪、烘干、加压固化和第一次热解处理，得到预成型体；（2）将有机树脂、造孔剂和溶剂混合后，得到造孔浆料；（3）将所得预成型体真空浸渍在造孔浆料中并取出，再经固化和第二次热解处理，得到熔渗预制体；（4）采用硅粉或/和硅合金粉包埋所得熔渗预制体，经反应烧结，得到所述碳化硅陶瓷基复合材料。

技术领域

本发明涉及一种基于熔渗预制体孔隙结构调控的碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，属于航空航天热结构陶瓷基复合材料技术领域。

背景技术

新一代高推重比航空发动机高温起飞状态下涡轮前燃气温度高达1700℃左右，远超目前耐热性能最好的镍基高温合金所能承受的温度极限(～1100℃)。与高温合金相比，纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有高比强度、高比模量、非脆性断裂以及优异的耐高温、抗氧化性能，可提高涡轮前燃气温度300～500℃，是新一代航空发动机高温结构材料的优选。

碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法主要有反应熔渗工艺(RMI)、前驱体浸渍裂解工艺(PIP)、化学气相渗透工艺(CVI)以及浆料浸渍工艺(SI)。其中反应熔渗工艺是在高温下向多孔预制体中引入熔融硅，使其与预制体中碳原位反应生成致密的碳化硅基体。与其他工艺相比，RMI具有快速致密化和低成本等明显优势，但是硅熔体反应活性较强，会对纤维造成侵蚀从而降低材料的力学性能。另外，材料残留的游离硅热膨胀系数与碳化硅差异较大，导致材料残余应力较大，是恶化材料性能的另一个重要因素。预制体孔隙结构是决定硅熔体渗透与反应动力学过程的关键要素，其结构调控是优化材料性能的重要途径。目前，预制体孔隙结构调控主要技术途径为化学气相渗透、浆料浸渍和有机前驱体浸渍裂解方法，受制于纤维的空间阻碍效应，这些方法很难获得均匀孔隙结构，难以获得低残余硅的碳化硅陶瓷复合材料。为了获得均匀孔隙结构的熔渗预制体，必须提出新的造孔思路。

发明内容

为此，本发明提供了一种基于熔渗预制体孔隙结构调控的碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，包括：

(1)将纤维布浸渍于碳化硅浆料中并取出，得到纤维浸渍片后再经裁剪、烘干、加压固化和第一次热解处理，得到预成型体；

(2)将有机树脂、造孔剂和溶剂混合后，得到造孔浆料；

(3)将所得预成型体真空浸渍在造孔浆料中并取出，再经固化和第二次热解处理，得到熔渗预制体；

(4)采用硅粉或/和硅合金粉包埋所得熔渗预制体，经反应烧结，得到所述碳化硅陶瓷基复合材料。

为获得均匀孔隙结构的熔渗预制体，本发明提出无机碳化硅粉体填充与有机树脂结合造孔剂分割的“两步”造孔思路，即首先采用粘度较低的碳化硅浆料浸渍纤维布获得多孔预制体粗坯，再同时引入有机树脂和造孔剂对碳化硅粉体之间的孔隙进行分割修饰，即首先利用碳化硅浆料在纤维布内形成一个初步的孔隙结构，然后将有机树脂/造孔剂引入孔隙结构中进行分割，形成更细小的孔隙结构。最后结合反应熔渗技术，制备碳化硅陶瓷基复合材料。

较佳的，步骤(1)中，所述碳化硅浆料是将碳化硅粉体、粘结剂和溶剂混合后得到；所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种，所述溶剂选自乙醇、异丙醇和二甲苯中的至少一种。

较佳的，所述碳化硅粉体、粘结剂和溶剂的质量比为(10～50):(5～20):(30～60)。

较佳的，所述碳化硅粉体的粒径为0.01～50μm，优选为0.5～20μm。

较佳的，步骤(1)中，所述纤维布为碳纤维布、或碳化硅纤维布；所述纤维浸渍片的厚度为0.1～3mm，优选为0.5～1mm。

较佳的，步骤(1)中，所述加压固化的温度为80～250℃，压力0.1～20MPa，时间为0.2～10小时；所述第一次热解处理的温度为400～900℃，时间为0.5～5小时。