[发明专利]一种纤维增强硅硼氮复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纤维增强硅硼氮复合材料的制备方法，所述制备方法包括：(1)采用硅硼氮纤维制备纤维预制体，然后采用聚硅硼氮烷对所述纤维预制体进行浸渍处理，得到浸渍纤维预制体；(2)对所述浸渍纤维预制体在第一固化温度下进行初始固化反应，待聚硅硼氮烷由流动状转变至半流动状时，继续在所述第一固化温度保温直至聚硅硼氮烷呈胶冻状，得到初始固化纤维预制体；(3)去除所述初始固化纤维预制体表面上的聚硅硼氮烷固化物，再对纤维预制体在第二固化温度下进行二次固化反应，得到二次固化纤维预制体；(4)对所述二次固化纤维预制体进行裂解反应，得到裂解纤维预制体；(5)对所述裂解纤维预制体重复步骤(1)至(4)至少1次。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种PIP工艺制备纤维增强硅硼氮复合材料中聚硅硼氮烷的新型固化处理方法及由该方法制得的纤维增强硅硼氮复合材料。

背景技术

随着各种新型飞行器向更高速度和更长时间飞行方向的发展，对集耐高温、透波、承载等功能于一体的高性能透波材料提出了更高的要求，必须在更高的工作温度和更恶劣的环境中承受更大的负载和热冲击而不受损害，同时满足电性能特性要求。陶瓷材料具有良好的耐热、隔热、力学以及介电性能，一直是航空航天领域耐高温透波材料的首选。传统的石英陶瓷材料使用温度低，无法满足更高速飞行器的使用要求。硅硼氮陶瓷由于具有耐高温特性已成为新一代理想的高温透波候选材料，但陶瓷材料固有的脆性使其可靠性受到限制。硅硼氮兼具了Si₃N₄和BN的优点，具有抗氧化、高温强度和模量保持率高、高温透波及耐烧蚀等优异性能。硅硼氮纤维增强硅硼氮透波复合材料因基体中硼元素的加入，提高了纤维和基体的耐温性，相应复合材料具有良好的高温力学性能、稳定的电性能及抗烧蚀性能，可根据具体使用环境通过Si、B元素比例调节来平衡其热、力、电综合性能，可设计性强，是新一代飞行器天线罩(窗)的理想增强材料。目前，制备硅硼氮为基体的陶瓷复合材料主要有PIP工艺。

采用以聚合物陶瓷前驱体为浸渍体的PIP工艺制备的耐高温透波陶瓷基复合材料，具备良好的力学机械性能、优良的耐热性和介电性能，是理想的耐高温透波复合材料。在PIP工艺中，根据复合材料应用环境所要求设计的强度、耐温等级及电性能等来选择相应的纤维种类及预制体织物形式。例如，选择将硅硼氮纤维通过编织方式加工成预制体坯件，然后进行预处理，获得硅硼氮纤维预制体，进而与聚硅硼氮烷浸渍-固化-裂解形成的硅硼氮基体进行复合成型，最终形成纤维增强硅硼氮复合材料。

聚硅硼氮烷前驱体是采用三氯化硼为硼源、甲基氢二氯硅烷为硅源，氨气为氮源，经溶液共聚得到的SiBN液态前驱体，自身交联固化反应会导致聚硅硼氮烷在浸渍-固化过程得到的陶瓷产率很高。固化温度会根据热重-差热(TG-DSC)曲线进行选择，由聚硅硼氮烷的热重-差热曲线可知，聚硅硼氮烷在220～240℃区间会产生固化反应，前驱体状态由流动的液态转变为固态。当前传统的浸渍-固化工艺是根据热重-差热曲线中的吸收峰位置选择合适的固化温度，并在该温度区间进行长时间保温，让聚硅硼氮烷进行充分交联固化。为了让聚硅硼氮烷作为基体材料能充分浸渍纤维预制体，制备过程中的聚硅硼氮烷前驱体往往过量，此时会导致固化后的聚硅硼氮烷固化物将预制体完全包裹。

为了更好的提高前驱体紧随的裂解效果，需要对纤维预制体表面进行脱胶处理，而实际操作中，聚硅硼氮烷固化物硬度很大，且与纤维预制体之间的连接十分紧密。为了清理好纤维预制体表面过多的聚硅硼氮烷固化物，脱胶过程中过多的施加力很容易将尚未稳固的纤维预制体拖曳变形，脱胶过程同样会使得纤维预制体中的纤维产生断裂，过多的断裂纤维会使得纤维预制体断裂分离，影响构件的整体规格和尺寸，甚至无法完成后续浸渍-固化-裂解工艺。这种情况下，材料的成型过程完全被破坏，往往需要重新制备纤维预制体，制备周期延长，且后续采用相同的浸渍固化及脱胶处理工艺会继续出现上述不利状况，复合材料的制备成本大大提高。

因此，针对以上不足，需要提供一种纤维增强硅硼氮复合材料的制备方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题