[发明专利]一种高致密的碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高致密的碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法，包括：采用含有高产碳率树脂、低残碳率有机聚合物的前驱体液浸渍纤维预制体中，裂解后获得纤维/C熔渗预制体；以及将熔融的Si或熔融的Si与金属的合金渗入所述纤维/C熔渗预制体中进行熔渗反应，得到所述碳化硅陶瓷基复合材料。本发明通过添加低残碳率聚合物改变熔渗预制体中树脂裂解形成的碳的结构，促进反应熔渗时硅和碳的接触和反应，熔渗后金属在基体中呈弥散状分布并且有效避免了块状残余碳和块状残余金属的产生，从而显著提高复合材料的力学性能和热导率。

技术领域

本发明涉及一种高致密的碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法，具体涉及一种具有高致密度和高热导率特征的碳化硅陶瓷基复合材料及一种反应熔渗制备方法。

背景技术

随着航空、航天、能源等高技术领域的发展，越来越多的部件处于极端服役环境中，因此对高性能的材料提出了迫切需求。如航空发动机、燃气轮机等亟需适用于力-热-氧化耦合环境的材料，高分辨率遥感卫星亟需轻质、长寿命且适应空间服役环境的材料。目前在航空发动机上使用的镍基高温合金的温度极限约为1100℃，并且镍基合金的密度相对较大，这极大地限制了发动机性能的进一步提升；在遥感卫星支撑结构中使用的Invar合金和树脂基复合材料已不能满足大口径长焦距相机的要求。纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料密度低、耐高温、力学性能优异、可设计性强，被认为是可以代替或部分取代传统材料应用于高技术领域的新一代结构材料。

碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法主要有化学气相沉积法(CVI)、有机前驱体浸渍-裂解法(PIP)和反应熔渗法(RMI)。CVI和PIP法能在较低的温度下得到碳化硅陶瓷基复合材料，有益于避免高温对纤维的损伤，但材料制备周期长，而且所制备得到的复合材料气孔、裂纹等缺陷较多，材料性能具有一定局限性。在几种陶瓷基复合材料制备工艺中RMI法是唯一能够在短时间内获得高致密材料的方法。制备过程中首先将Si或其合金熔化，在毛细管力的作用下金属熔体渗入到多孔纤维/C内部，并与基体C发生化学反应生成包括碳化硅在内的陶瓷基体。但是，由于多孔纤维/C材料多采用酚醛树脂浸渍-热解工艺制备，生成的C颗粒尺寸大，裂纹、气孔尺寸分布不均。另外，由于RMI过程中熔融金属和大块碳源的接触不充分导致最终获得的碳化硅陶瓷基复合材料中存在大量未反应的残余碳和金属。文献“Jiping Wang,Min Lin,Zhuo Xu,et al.Microstructure and mechanical propertiesof C/C–SiC composites fabricated by a rapid processing method[J].Journal ofthe European Ceramic Society,(2009)3091-3097.”采用RMI工艺使不同孔隙的C_f/C预制体致密化，快速得到致密的C_f/C-SiC复合材料，但是存在残留的Si在纤维束间和束内的集中分布，从而影响复合材料的力学性能。该方法使用的碳源是使用CVI工艺沉积的，残留Si集中分布的原因是CVI碳是层状结构，Si只能与部分碳进行反应，从而有残留硅的集中分布。文献“Honglei Wang,Xingui Zhou,Jinshan Yu,et al.Fabrication of SiC_f/SiCcomposites by chemical vapor infiltration and vapor silicon infiltration[J].Materials Letters 64(2010)1691-1693.”通过气相渗硅的方法制备得到了致密的SiC_f/SiC复合材料，但存在残留碳和硅在复合材料中大面积集中分布。该方法使用的碳源是使用CVI工艺沉积的，残留Si集中分布的原因是CVI碳是层状结构，Si只能与部分碳进行反应，从而有残留硅的集中分布，这对复合材料的高温力学性能和热导率的提高极为不利。

发明内容

本发明针对碳化硅陶瓷基复合材料传统RMI制备工艺过程中Si或Si与其它金属的合金和C不能充分反应导致基体中存在大尺寸残余Si或合金和大尺寸残余碳的问题，提供一种改进的纤维/C熔渗预制体结构构建熔渗反应制备方法。