[发明专利]一种宽温域自愈合改性陶瓷基复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种宽温域自愈合改性陶瓷基复合材料制备方法，具体为：在高残炭树脂中添加造孔剂、ZrB₂粉体与SiC纤维，制成预浸料，先后经历固化成型、炭化，待基体中气态小分子物质挥发，热解完全，得到以C、ZrB₂为骨架结构的SiC纤维/C‑ZrB₂多孔体，最后在将Si‑MoSi₂合金熔融渗入多孔体，从而得到自愈合改性的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。本发明模拟生物自愈合过程，在基体中引入能够在不同温度段发生氧化的自愈合组元ZrB₂及MoSi₂，通过氧化后生成的B₂O₃、SiO₂等黏流态物质封填裂纹，从而阻止环境介质在材料内部扩散，实现复合材料在更宽温域范围内发生自愈合响应，延长材料的使用寿命。

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及一种宽温域自愈合改性陶瓷基复合材料的制备方法。

背景技术

陶瓷基复合材料(CMCs)是在陶瓷基体中引入增强材料，形成以引入的增强材料为分散相，以陶瓷基体为连续相的复合材料，其中分散相可以为连续纤维、颗粒或者晶须。CMCs在保留陶瓷材料耐高温、抗氧化、耐磨耗以及耐腐蚀等优点的同时，还能够充分发挥陶瓷纤维增强增韧作用，成为制备航空发动机热端构件最佳的耐高温材料。

目前，在航空领域研究较多的主要是连续纤维增强的CMCs，尤其是碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料(简称SiC/SiC复合材料)。SiC/SiC复合材料长时耐温能力＞1200℃，较传统的高温合金提高了150℃以上；密度低，约为高温合金的1/3～1/4，是新型航空发动机热端部件的标志性材料。陶瓷基复合材料中由于基体裂纹的存在，其相互交织连通，成为外界高温燃气进入复合材料内部的通道。在服役过程中，具有氧化性、腐蚀性的高温燃气将快速氧化纤维界面层，随后进一步侵蚀纤维，造成复合材料性能加速退化，从而难以满足应用的需求。因此，陶瓷基复合材料存在的裂纹是影响其可靠性和使用寿命的症结，必须采取相应的措施加以应对。

自愈合实现的关键是玻璃态物质，利用其低温下为固态、高温下为黏流态的特性，来实现裂纹的愈合。目前的自愈合单元，无论是硅基还是硼基，主要针对某一特定温区作用，且愈合温区范围较窄，但是在材料实际使用工况中需要更宽温域的防护。

SiC/SiC复合材料本身具有优异的抗氧化性，因为SiC基体在高温下将氧化得到玻璃态SiO₂封填基体裂纹从而阻碍氧化介质进一步扩散。但是SiC在氧化环境下响应温度较高，1100℃时仅仅在表面形成一层薄薄的氧化膜。当温度达到1300℃时，氧化速率才进一步加快。但受熔渗工艺及内部结构等因素的影响，SiC/SiC复合材料不可避免地存在孔隙和微裂纹等结构缺陷，因此在较低使用温度时(例如800℃)，就需要基体材料能够发生自愈合响应。另外，在面临更高使用温度时(例如大于1300℃)，也仍然需要材料具有较好的抗氧化性。因此，提供一种适用于更宽温域的自愈合改性陶瓷基复合材料具有重要意义。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种宽温域自愈合改性陶瓷基复合材料的制备方法，本申请制备了一种宽温域范围内具有较好抗氧化性的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。

有鉴于此，本申请提供了一种宽温域自愈合改性陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

A)将高残炭树脂、造孔剂、ZrB₂粉和有机溶剂混合后球磨，得到混合料浆；

B)将所述混合料浆涂覆于碳化硅纤维表面，烘干，得到预浸料；

C)将所述预浸料进行热压，得到预制体，将所述预制体进行炭化，得到碳化硅纤维/C-ZrB₂多孔体；

D)将Si-MoSi₂合金在所述碳化硅纤维/C-ZrB₂多孔体中进行熔渗反应，得到自愈合改性陶瓷基复合材料。