[发明专利]二维纤维布增强陶瓷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及其制备工艺，尤其涉及一种二维纤维布增强陶瓷基复合材料及其制备工艺。

背景技术

现有的陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites，CMC)充分结合了连续纤维(碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维等)和陶瓷基体的优势，具有低密度、高强度、高韧性、耐高温、耐烧蚀、抗冲刷、高硬度和高耐磨性等优点。目前，以C/SiC复合材料为代表的CMC在航空航天、能源技术、化工、交通工业等领域具有广阔的应用前景。CMC的增强方式主要有单向纤维增强(1D)、两向织物增强(2D)和三维织物增强(3D)三类，不同纤维增强方式所制备的CMC的成型方式、材料的结构和性能存在很大差别。1D CMC中纤维保持连续的长丝状态，其成型方法主要是借鉴传统的纤维增强塑料的成型方法，如预浸布、层压、铺层、缠绕等。1D CMC在纤维主方向上具有很高的性能，但偏离纤维轴线方向的强度很低，因此其应用范围很窄，一般应用于回转体和异形薄壁结构。3DCMC增强相是连续纤维三维织物，3D CMC具有较好的结构整体性，材料力学性能好，然而，三维织物形状受编织设备和编织技术的限制，不仅制备周期长，而且成本较高，这大大限制了其应用范围。2D CMC以2D纤维布为增强相，2D纤维布有三种基本的构造形式，即平纹、斜纹和缎纹。2D CMC的制备主要采用纤维布铺层模压的方式。2D CMC在面内具有很好的性能，制备工艺简单，其预制件可以方便地借鉴手糊、RTM等树脂基复合材料成熟的成型工艺，成本较3D CMC大大降低，但层间剪切强度低，易分层，可靠性较差。

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，提供一种层间剪切强度高、结构稳定、可靠性高、比强度高、耐高温烧蚀和高速粒子冲刷、密度低的二维纤维布增强陶瓷基复合材料，还提供一种周期短、成本小的二维纤维布增强陶瓷基复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出一种二维纤维布增强陶瓷基复合材料，其特征在于所述复合材料是以二维纤维布为增强相，以高熔点陶瓷粉体和/或耐高温金属粉体为填料，以碳、碳化硅、氮化硅、氮化硼或氧化物为基体，所述二维纤维布是经过叠层、穿刺纤维穿刺连接成整体后作为复合材料的增强相。

所述二维纤维布可以为碳纤维布、碳化硅纤维布、石英纤维布、氮化硼纤维布或者氧化铝纤维布。

所述陶瓷粉体为碳粉、碳化物陶瓷粉、硼化物陶瓷粉、氮化物陶瓷粉、氧化物陶瓷粉中的一种或几种。

所述碳化物陶瓷粉选用的碳化物为SiC、ZrC、TaC、HfC、WC、TiC、NbC中的一种或几种，所述硼化物陶瓷粉选用的硼化物为ZrB₂、HfB₂、TaB₂、WB₂、NbB₂、TiB₂中的一种或几种，所述氮化物陶瓷粉选用的氮化物为BN、Si₃N₄、HfN、ZrN中的一种或几种，所述氧化物陶瓷粉体选用的氧化物为SiO₂、A1₂O₃、ZrO₂、HfO₂中的一种或几种，所述耐高温金属粉体选用的金属为W、Re、Ir中的一种或几种。

上述穿刺纤维的材料可以与二维纤维布的材料相同；穿刺纤维可以是1k～50k的单股纤维，或者是单股纤维一次或多次合股的纤维束。所述穿刺纤维穿刺的密度可以从1mm×1mm到10mm×10mm之间变化，穿刺的厚度可以为1mm～150mm。

本发明还提供一种制备上述二维纤维布增强陶瓷基复合材料的方法，包括以下步骤：

(1)二维叠层复合材料粗坯的制备：将质量比为1∶(0.5～3)的有机树脂与溶剂混合配制成混合溶液，再往混合溶液中添加所述的陶瓷粉体和/或金属粉体，并将混合溶液与添加的粉体的体积比控制在1∶(1～6)，球磨分散后制成浆料；将所述二维纤维布真空浸渍浆料后逐层铺排制得二维叠层复合材料粗坯；所述溶剂根据有机树脂的种类确定，可以为一种单一溶剂或几种物质组成的混合溶剂；

(2)二维穿刺复合材料粗坯的成型：对上述二维叠层复合材料粗坯用穿刺纤维进行穿刺，穿刺的密度为1mm×1mm～10mm×10mm，穿刺的厚度为1mm～150mm，将穿刺后的试样放入烘箱中低温固化，再进行高温裂解后制得二维穿刺复合材料粗坯；所述低温固化的温度为150～250℃，时间1～5小时；所述高温裂解的温度为800～1800℃，时间为0.5～2小时；