[发明专利]C/SiC陶瓷基复合材料的低温制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机非金属材料的制备工艺，尤其涉及一种C/SiC陶瓷基复合材料的制备方法。

背景技术

C/SiC陶瓷基复合材料是随着现代科学技术的发展应运而生的，它是继碳-碳复合材料之后发展起来的新型材料。C/SiC陶瓷基复合材料具有比强度和比模量好、尺寸稳定性好、优良的抗疲劳和抗蠕变性等优点，主要用于航空航天、化工、能源等领域。

目前，C/SiC陶瓷基复合材料的制备方法主要有泥浆浸渗法、先驱体浸渍裂解法(Precursor Infiltration and Pyrolysis，PIP)、熔融浸渗工艺、化学气相渗透/沉积工艺(Chemical Vapor Infiltration and Deposition，CVI/CVD)和反应烧结等。其中，PIP工艺和CVI/CVD工艺应用比较广泛。综合所有这些工艺，一个显著的共同点是制备温度都在1100℃以上。而针对高室压液体火箭发动机燃烧室，金属材料燃烧室及其再生冷却已不能满足要求，采用带金属冷却管道结构的陶瓷作为燃烧室材料，便是一种满足高室压大热流燃烧室要求的方案，这就要求发展陶瓷和金属的一体化成型和制备技术。另外，高超音速飞行器为了提高气动性能，往往设计尖锐前缘，飞行器温度高于2000℃，热流密度大，现有材料不能满足要求，采用陶瓷耐高温预埋金属冷却管道实现主动冷却是解决上述问题的首选方案，该方案也要求实现陶瓷和金属的一体化成型技术。而一般金属的熔点不高于1000℃，因此必须采用低于1000℃的低温C/SiC复合材料制备工艺。然而，单纯地降低制备温度，并不能得到性能优良的复合材料。例如，简单移植PIP工艺，将复合材料的制备温度降低到800～1000℃，获得的复合材料力学性能很差(如弯曲强度小于100MPa，不能满足工程应用要求)。采用CVI/CVD工艺，将沉积/渗透温度降低到800～1000℃，则渗透速率大大下降，制备周期可能会从原来的2～3个月延长到6～12个月，而纤维长时间处于高温，也容易受到更严重的损伤，不仅不经济而且材料性能变差。

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，提供一种工艺设备要求简单、能耗小、成本低、制备周期较短且所获产品性能优异的C/SiC陶瓷基复合材料的低温制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种C/SiC陶瓷基复合材料的低温(主要制备温度≤1000℃)制备方法，包括以下步骤：

(1)碳纤维预处理：将碳纤维预制件或碳布置于高温真空炉中，抽真空后快速升温至1000～1800℃，保温1～5h后降温；

(2)真空浸渍：将预处理后的碳纤维预制件或碳布放入浸渍罐，抽真空后加入SiC的先驱体溶液，浸渍2～10h后取出自然晾干；

(3)高温裂解：将真空浸渍后的碳纤维预制件或碳布置于裂解炉中，在惰性气体或氮气保护下快速升温至800～1000℃，保温0.5～2h后降温；

(4)致密化：将高温裂解后的碳纤维预制件或碳布再周期性重复上述真空浸渍-高温裂解过程10～15个周期，制得致密化的C/SiC陶瓷基复合材料。

上述碳纤维预处理中快速升温的速率为10～20℃/min，整个碳纤维预处理的升温、保温过程保持真空度在30Pa以下，降温过程在惰性气体或氮气氛围下自然降温。

上述真空浸渍过程中保持真空度低于100Pa，所述SiC的先驱体溶液为质量比1∶(0.5～2.5)的聚碳硅烷(PCS)、二甲苯(xylene)的混合溶液。

上述高温裂解过程中，快速升温以前先抽真空至1000Pa以下并通入惰性气体或氮气，整个高温裂解的升温、保温及自然降温过程均采用高纯惰性气体或氮气保护。

上述高温裂解过程中快速升温的机制为在惰性气体或氮气流动状态下以10～20℃/min的升温速率进行升温。