[发明专利]一种高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法和应用。所述方法：在碳纤维预制体的表面制备C界面层、SiC界面层和/或由C界面层和SiC界面层交替沉积组成的(C/SiC)_n交替界面层，得到改性碳纤维预制体；以液态SiBCN前驱体为浸渍液，通过真空浸渍/原位固化/中压裂解的PIP工艺对改性碳纤维预制体进行SiBCN基体致密化，得到高性能C/SiBCN复合材料。本发明制备了合适的界面层，实现了其增韧功能；本发明采用原位固化工艺，避免了固化过程中前驱体的流出，提高了浸渍深度及浸渍效率，同时采用中压裂解工艺，减小了SiBCN基体裂纹，降低了材料的孔隙率，提高了复合材料的力学性能。

技术领域

本发明属于热结构复合材料技术领域，尤其涉及一种高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

C/SiBCN陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、高比模、高比强和抗氧化等一系列优异性能，在航天航空领域具有广泛的应用前景。四元SiBCN非晶陶瓷基体，由于硼的引入，SiBCN前驱体在陶瓷转化过程中生成BN/B₄C相，BN/B₄C相本身具有较好的高温热稳定性，提高了材料析晶温度，大大提高陶瓷基体的耐高温性能，其常温及高温力学性能和抗氧化性能表现优异。

PIP工艺(前驱体浸渍裂解工艺)是制备C/SiBCN复合材料的主要制备工艺。PIP工艺技术是在一定真空度下将聚硼硅氮烷溶液浸渍到多孔碳纤维预制体内，然后经过压力浸渍和压力固化，最后在一定温度下使聚硼硅氮烷发生裂解得到SiBCN基体，从而制得C/SiBCN复合材料。Lee等采用含硼小分子化合物与低黏度的聚硅氮烷共混作为SiBCN陶瓷前驱体，采用PIP方法制备了C/SiBCN陶瓷基复合材料，其室温抗弯强度为255MPa(参见：刘伟,曹腊梅,王岭,et al.RTM成型工艺对C_f/SiBCN陶瓷基复合材料性能的影响[J].材料工程,2015,43(006):1-6.)。中科院化学所王秀军等采用聚硼硅氮烷(P-SiBCN)为前驱体采用PIP工艺制备C/SiBCN陶瓷基复合材料，其室温弯曲强度达334MPa(参见：王秀军,张宗波,曾凡,等.碳纤维增强SiBCN陶瓷基复合材料的制备及性能[J].宇航材料工艺,2013,43(2):47-50.)。中国专利申请CN104591768A采用硅炔改性SiBCN前驱体，采用PIP工艺制备C/SiBCN复合材料，室温弯曲强度也仅能达374MPa。

综上所述，目前C/SiBCN复合材料的力学性能相对较低，有待进一步提升。因此，非常有必要提供一种力学性能优异的高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种高性能C/SiBCN复合材料及其制备方法和应用。

本发明在第一方面提供了一种高性能C/SiBCN复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)在碳纤维预制体的表面制备C界面层、SiC界面层和/或由C界面层和SiC界面层交替沉积组成的(C/SiC)_n交替界面层，得到改性碳纤维预制体；

(2)以液态SiBCN前驱体作为浸渍液通过真空浸渍/原位固化/中压裂解的PIP工艺对所述改性碳纤维预制体进行SiBCN基体致密化，得到高性能C/SiBCN复合材料。

优选地，所述真空浸渍/原位固化/中压裂解的PIP工艺包括如下子步骤：

(a)将所述改性碳纤维预制体置于真空袋中以所述液态SiBCN前驱体作为浸渍液进行真空浸渍；

(b)将装有真空浸渍了液态SiBCN前驱体的所述改性碳纤维预制体的真空袋放入固化罐内使真空浸渍了液态SiBCN前驱体的所述改性碳纤维预制体进行原位固化，得到碳纤维复合材料；

(c)将所述碳纤维复合材料从真空袋中取出后再置于中压裂解炉内进行高温中压裂解。