[发明专利]一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域，尤其涉及一种纤维增强碳化硅基复合材料的制备方法。

背景技术

纤维增强碳化硅基复合材料因具有高强度、低密度、高温性能好、抗腐蚀及非脆性断裂等优良性能受到越来越多的材料工作者的重视。在国防军工和航空航天领域，碳化硅基复合材料在新型航天飞行器等方面表现出广阔的应用前景。在交通运输和新能源等民用领域，核聚变等离子发电装置及高速列车、高速电梯的刹车片等也对碳化硅基复合材料提出强烈的需求。

目前，制备纤维增强碳化硅基复合材料的工艺主要有化学气相渗透法(Chemical Vapor Infiltration)、有机物前驱体裂解法(Polymer Impregnation and Pyrolysis)、反应烧结法(Reaction Sintering)和热压法(Hot Pressing)。在以上制备方法中，反应烧结法具备工艺过程简单，制备周期短，是一种典型的低成本制备工艺，尤其由于近年来采用大丝束纤维三维针刺编织技术的进步以及短纤维复合技术的发展，使得原料成本大幅度降低，因此使得该技术从原料到制备过程可实现全面的低成本化。但反应烧结也存在技术上的难题，反应烧结制备纤维增强碳化硅基复合材料含有一定量的游离硅，反应烧结是在高温下将坯体与单质硅(通常为液态硅)反应，生成β－SiC，并与浸渍纳米SiC相结合，形成纤维增强碳化硅基复合材料，过量的单质硅在复合材料孔隙中残留使其含有一定量的的游离硅，游离硅的熔点为1410℃，当使用温度超过1400℃时，由于硅的熔化而使材料丧失了机械强度，影响了纤维增强碳化硅基复合材料的高温性能，从而限制了该类复合材料的使用范围。

发明内容

本发明的目的在于提出一种纤维增强碳化硅基复合材料的制备方法，所制备的复合材料具有基体均匀，致密度高，力学性能优良，抗氧化性好等优点。解决现有技术中采用反应烧结制备的纤维增强碳化硅复合材料中含有一定量游离硅对高温性能的影响。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种纤维增强碳化硅基复合材料的制备方法，其以纤维作为增强体，使用含有纳米细度的碳化硅和酚醛树脂的浆料对上述纤维进行浸渍，待浸渍后纤维上的浆料固化后进行裂解反应，形成具有微裂纹的预成型体，将预成型体与单质硅在真空条件下进行原位反应烧结，得到纤维增强碳化硅基复合材料。

使用以上方法，利用含纳米碳化硅粉体浸渍浆料的调节提高纤维束间和纤维束内基体的浸渍效率。同时利用碳化硅颗粒与裂解碳膨胀系数的差异，在热解碳基体中产生均匀分布的微裂纹，抑制裂解碳过程中大气孔的产生，形成一种网络结构，为原位反应烧结过程中硅的扩散提供通道，促进基体的致密化，获得少缺陷、密度高、低残余硅的高性能纤维增强陶瓷基复合材料。

优选地，在上述方法中，纤维为碳纤维或碳化硅纤维中的至少一种。这样可以避免引入其它杂质。

优选地，在上述方法中，所述浆料中含有无水乙醇。单独使用酚醛树脂会使浆料粘度较大，因此优选在其中还含有一定量的无水乙醇。使之能更好与碳化硅混合形成合适粘度的浆料，可以更好的对纤维进行浸渍包裹。

优选地，在上述方法中，浸渍为真空浸渍。真空浸渍的具体步骤为，将纤维置于一容器内，然后对容器抽真空，然后吸入浆料，对纤维进行真空浸渍。

优选地，在上述方法中，所述裂解反应为在惰性气体保护气氛下进行。通常选用在1100摄氏度下，氮气气氛中进行裂解反应。

优选地，在上述方法中，所述浸渍、固化和裂解反应为多次循环。单单一次很难形成均匀分布的微裂纹，多次反应则可以让预成型体上的微裂纹分布均匀，进而使在原位反应烧结中单质硅能均匀扩散，促进基体的致密化，获得少缺陷、密度高、低残余硅的高性能纤维增强陶瓷基复合材料；同时也避免游离硅对复合材料高温性能的影响。

优选地，在上述方法中，所述纤维表面沉积有裂解碳层和碳化硅层，碳化硅层沉积在纤维表面避免原位反应时单质硅与纤维接触，保护纤维免受单质硅的侵蚀，使得纤维强度得到保持。

一种纤维增强碳化硅基复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

步骤1)将纤维置于真空沉积炉中，在其表面沉积裂解碳层和碳化硅层；

步骤2)将步骤1)得到的纤维放入密闭的容器中，抽取真空后吸入含纳米碳化硅粉体的酚醛树脂浆料，采用真空浸渍纤维织物，再将样品转移至高压釜中加压，升温至150～180℃并保温0.5～1h进行预固化处理，再升温至230℃保温0.5～1h进行固化；最后将固化后样品置于1100℃氮气气氛下裂解，保温0.5h；