[发明专利]一种高强度碳/碳-碳化硅复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种高强度碳/碳‑碳化硅复合材料的制备方法，采用12K T800的PAN基三维碳纤维预制体，等温化学气相渗透方法在碳纤维表面生长高织构热解碳，高强纤维与高织构热解碳的引入大大增加了碳/碳‑碳化硅复合材料的弯曲强度，之后采用反应溶渗工艺，等温化学气相渗透法与反应溶渗工艺结合不仅减小了碳/碳‑碳化硅复合材料孔隙率，使碳/碳‑碳化硅复合材料的弯曲强度进一步增加，其弯曲强度可高达320‑420MPa，同时降低了生产周期和制备成本。

技术领域

本发明属于碳/碳-碳化硅复合材料的制备方法，涉及一种高强度碳/碳-碳化硅复合材料的制备方法，碳/碳-碳化硅复合材料的体积密度为2.00-2.40g/cm³，弯曲强度为320-420MPa。

背景技术

由于碳/碳复合材料具有低密度、抗冲刷、耐烧蚀以及优异的力学性能，已被成功的应用于航天飞行器的热端部件。但随着航空航天领域的发展，碳/碳复合材料无法满足越来越苛刻的应用环境。因而急需改善碳/碳复合材料的性能。目前，常用的提高碳/碳复合材料的方法有：(1)涂层防护技术。即在碳/碳复合材料表面制备具有一定厚度、成分均匀且致密的涂层，在空气气氛下涂层内组成成分与氧反应形成一层稳定的玻璃膜，以实现对碳/碳复合材料的防护。(2)碳/碳复合材料自身改善。即改变预制体结构和热解碳的微观结构以实现碳/碳复合材料性能提高。(3)基体改性技术。即在碳/碳复合材料内引入抗氧化组元，在氧化气氛下，抗氧化组元优先与氧反应，形成玻璃膜，进而对碳/碳复合材料防护。涂层防护作用有限，无法实现工程化应用。因此，可调整热解碳微观结构和抗氧化组元的引入，例如，引入高织构热解碳和碳化硅，高织构热解碳和碳化硅具有高的强度、抗烧蚀和抗冲刷性能，在氧化环境下碳化硅与氧优先反应形成二氧化硅玻璃膜对碳/碳复合材料进行防护。目前，常用制备碳基体的方法有前驱体热解法和化学气相渗透法。而常用制备碳化硅的方法有化学气相渗透法、前驱体裂解法和反应溶渗工艺。在制备碳基体方法中，前驱体热解法对碳纤维损伤小，但制备周期长；化学气相渗透法制备的热解碳性能优异且周期短，但对设备要求高。在制备碳化硅的方法中，化学气相渗透法制备碳/碳-碳化硅复合材料强度高，抗氧化优异，但周期长且制备成本高。前驱体热解法制备碳化硅，制备过程中对碳纤维损伤小，碳/碳-碳化硅复合材料强度高，但制备周期长，前驱体转化率低且成本高；采用反应溶渗工艺制备碳化硅，其具有成本低、周期短且利于工程化应用，但该方法制备碳/碳-碳化硅复合材料强度较低。

文献“张莹，王雅雷，叶志勇，熊翔，陈招科，孙威，曾毅，低温反应熔渗制备C/C-SiC复合材料的微观结构和力学性能.应用技术学报，2018，18(4):317-323.”采用低温反应溶渗工艺制备C/C-SiC复合材料，但其弯曲强度仅为136MPa。

文献“朱耘玑，邱海鹏，孙明，李秀倩，罗京华，C/C-SiC复合材料两种制备工艺及材料性能.航空制造技术，2009，118-121.”采用粗糙层热解碳为界面，分别采用反应溶渗工艺与聚合物前驱体浸渍裂解工艺制备出两种C/C-SiC复合材料，其最大弯曲强度分别为155MPa和287MPa。该反应溶渗工艺在氮气保护下负压状态下制备而得到的，因此对设备要求高制备成本有所增加，同时弯曲强度较低，其值为155MPa。聚合物前驱体浸渍裂解工艺制备的C/C-SiC复合材料弯曲强度较大，其值为287MPa，但是其制备周期长，前驱体转化率低，成本高。

文献“谢建伟.C/SiC复合材料的结构与力学性能.中南大学，2007.”分别采用化学气相渗透法与反应溶渗法制备C/C-SiC复合材料，研究结果表明：化学气相渗透法制备的C/C-SiC复合材料，最大弯曲强度为329MPa，而反应溶渗工艺制备的C/C-SiC复合材料，最大弯曲强度为131MPa。虽然化学气相渗透法制备的C/C-SiC复合材料弯曲强度高，但工艺周期长。反应溶渗工艺制备的C/C-SiC复合材料弯曲强度低，但工艺周期短。

发明内容

要解决的技术问题