[发明专利]连续碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料领域。具体地，本发明涉及连续碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料(在本文中有时也称为C/C-SiC复合材料)，除了具备耐高温、高比强度、高比模量、低热膨胀系数以及优异的高温热力学稳定性等一系列优良性能外，还具有基体致密度高、耐热震抗烧蚀、热化学稳定性好和对苛刻环境适应性强等特性，是一种轻质耐高温的新型复合材料，在航空航天、先进能源系统、高温热交换系统及高性能制动系统等高温技术领域拥有巨大的应用潜力。

然而，目前的碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料及其制备方法仍有待改进。

发明内容

本发明是基于申请人的下列发现而完成的：

目前的碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料制备方法，主要包括化学气相浸渍法(Chemical Vapor Infiltration：CVI)、化学气相浸渍法与聚合物浸渍裂解法(Polymer Infiltration Pyrolysis：PIP)混合工艺，以及化学气相浸渍法与液相硅熔渗(Liquid Silicon Infiltration：LSI)法混合工艺。其中，采用CVI工艺制备复合材料，制备周期长，且基体难以致密化。而另外两种工艺也采用了CVI方法，因此，同样具有工艺复杂、制备周期长和基体难以致密化的问题。

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种制备周期短、工艺过程简单、产品致密度高的制备碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料的方法。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制备连续碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：

(1)将选自BN粉和SiC粉的至少一种进行粉碎，以便得到粒度为40微米以下的细粉；

(2)将所得到的细粉与无水酒精进行混合，并在超声下进行分散，再加入硼酚醛树脂，并加热至30-50摄氏度，以便使得硼酚醛树脂溶解，获得浆料；

(3)将二维碳纤维布浸入得到的浆料中进行浸渍，并将经过浸渍的二维碳纤维布依次进行干燥和第一固化处理，以便得到经过包覆的二维碳纤维布，其中经过包覆的二维碳纤维布包覆有选自BN粒子和SiC粒子的至少一种；

(4)利用饱和硼树脂胶液，将经过包覆的二维碳纤维布进行连续叠层，并对经过叠层的二维碳纤维布依次进行真空处理和第二固化处理，以便得到碳纤维增强的树脂基复合材料素坯体，其中，饱和硼树脂胶液是通过将硼树脂溶解于无水酒精中而得到的；

(5)将所得到的碳纤维增强的树脂基复合材料素坯体在1000摄氏度以上的温度下进行裂解，以便得到多孔碳纤维增强的炭基复合材料预制体，其中，裂解是在真空或氮气环境下进行的；以及

(6)将上述得到的多孔碳纤维增强的炭基复合材料预制体埋在硅粉中，并在惰性气体或真空环境中，于1500-1650摄氏度的温度下保持预定时间，以便得到连续碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料。

发明人惊奇地发现，利用本发明的制备连续碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料的方法，能够高效地制备连续碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料，并且制备工艺简单、周期短、成本低、残碳率高，获得的产品致密度高、碳纤维损伤小、抗氧化性能好、强韧性高、强度和应变性能好、使用寿命长。此外，根据本发明的实施例，本发明的制备连续碳纤维增强的C-SiC双元基复合材料的方法，能够用于制备复杂形状的复合材料构件，以及改进复合材料构件的基体性能，并且由于工艺简单、成本低，而适于批量化生产。

根据本发明的实施例，在步骤(1)中，将选自BN粉和SIC粉的至少一种进行粉碎，可以进一步包括：将选自BN粉和SiC粉的至少一种与无水酒精混合后，于高能球磨机中进行分散和细化，以便获得初级粉末，其中BN粉为亚微米级，SiC粉为纳米级；将初级粉末于干燥箱中进行干燥处理，以便获得干燥的粉末；以及将干燥的粉末进行研磨并使其分散，再利用400目的筛子进行过筛处理，以便获得粒度为40微米以下的细粉。

根据本发明的实施例，在步骤(1)中，将细粉与无水酒精进行混合的比例不受特别限制。根据本发明的一些具体示例，可以将所得到的细粉与无水酒精按照重量比0.02～0.1∶1，优选0.1∶1进行混合。