[发明专利]一种连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法和应用，属于SiC_f/SiC复合材料技术领域。本发明采用CVI+PIP复合工艺制备了SiC_f/SiC复合材料，该复合材料具有宏观均质结构、微观变结构的特点，即宏观上为SiC纤维增强的CVI‑SiC和PIP‑SiC基体均质复合材料，微观上为CVI‑SiC和PIP‑SiC双元基体组成的变结构。本发明制备的复合材料具有优异的力学性能和抗氧化性能，材料制备周期较短、成本较低，可以满足1000～1600℃长时间、循环使用要求。

技术领域:

本发明涉及SiC_f/SiC复合材料技术领域，具体涉及一种连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术:

推重比是衡量航空发动机工作能力的重要指标，提高涡轮前温度则是实现航空发动机高推重比的主要途径。上世纪80年代，美国研制的第四代战机发动机涡轮前温度已提高至1800-2000K，这使其推重比达到10一级，耗油率降低了8-10％；正处于研制阶段的发动机推重比为12-15一级的第五代战机，其涡轮前温度将达到2000-2250K，耗油率将比第四代战机下降25％；而对于未来推重比15-20一级以上的发动机，其涡轮前温度将达到2450K以上。涡轮前温度的提高不可避免的使发动机部件热负荷增加、热应力增大，从而对材料提出了更苛刻的服役性能要求。SiC_f/SiC复合材料材有密度低、高温力学性能优异、性能可设计性强，同时具有抗氧化、耐腐蚀、耐磨损性能优异等特点，可以满足1200-1500℃长时间、循环使用要求，被视为新一代高推重比航空发动机高温静止部件的主要候选材料。

目前，SiC_f/SiC复合材料的制备工艺主要有化学气相渗工艺(CVI)、聚合物浸渍裂解工艺(PIP)。CVI沉积的SiC基体围绕纤维生长，优先填充纤维之间的微孔，大孔则很难被填满，一般只适用于制备薄壁件，对于厚度较大的构件制备难度大，难以获得高密度产品。同时，CVI工艺制备周期长(一般4～5个月)、成本较高，对设备和环境友好度较差。然而，CVI工艺制备的SiC_f/SiC复合材料具有优异力学性能和抗氧化性能，可实现净近尺寸成型。PIP工艺制备SiC_f/SiC复合材料时，通常要经过反复浸渍和裂解以获得密度较高的复合材料。裂解所获得的SiC基体更易于填充层间、束间等较大的孔隙，另外固化交联和高温裂解过程中基体收缩易出现裂纹，材料的力学性能相对较低。同时，PIP制备SiC_f/SiC的周期相对较短，一般为3个月左右。

发明内容:

本发明的目的在于提供一种连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法和应用，本发明结合CVI工艺和PIP工艺的优缺点以及材料优异的可设计性，采用CVI工艺制备的SiC基体(CVI-SiC)填充纤维之间的微孔，PIP制备的SiC基体填充层间、束间等大孔(PIP-SiC)，从而获得综合性能优异的SiC/SiC复合材料。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，该复合材料(SiC_f/SiC复合材料)采用CVI与PIP复合工艺制备而成，具体包括如下步骤：

(1)将碳化硅纤维预制体置于沉积炉中，采用化学气相渗(CVI)工艺在碳化硅纤维预制体上制备热解碳(PyC)界面层，界面层厚度控制在0.05～0.3μm之间；

(2)采用CVI工艺制备SiC_f/SiC复合材料基体，过程为：将步骤(1)制备的带有热解碳(PyC)界面层的碳化硅纤维预制体置于CVI炉中，在界面层上沉积SiC后，获得SiC_f/SiC复合材料基体，材料整体密度控制在1.0～2.0g/cm³之间；