[发明专利]一种利用短切纤维构造熔渗预制体制备碳化硅陶瓷基复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种利用短切纤维构造熔渗预制体制备碳化硅陶瓷基复合材料的方法，包括：（1）将短切纤维、碳化硅粉体、粘结剂和溶剂混合，得到碳化硅浆料；（2）将碳纤维布或碳化硅纤维布进入所得碳化硅浆料中，得到纤维浸浆片后，依次经烘干、裁剪、叠层、固化、热解，得到熔渗预制体；（3）将硅粉或硅合金粉置于熔渗预制体周围，再经反应烧结，得到所述碳化硅陶瓷基复合材料。

技术领域

本发明涉及一种利用短切纤维构造熔渗预制体制备碳化硅陶瓷基复合材料的方法，属于航空航天热结构陶瓷基复合材料技术领域。

背景技术

航空发动机升级换代的核心指标为推重比，然而，高推重比提升发动机推进效率的同时，也对热端(涡轮、燃烧室等)结构材料耐温性能提出更高要求。比如，当推重比达到10时，航空发动机涡轮前燃气温度可达1700℃左右，远超现有镍基高温合金所能承受的温度极限(～1100℃)。与高温合金相比，连续碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_f/SiC)陶瓷基复合材料具有更高的比强度和更优异的耐温性能(～1650℃)，是高推重比航空发动机热端结构材料的首选。

反应熔渗(reactivemeltinfiltration,RMI)是制备航空碳化硅陶瓷基复合材料的主要制备工艺，其原理为硅熔体渗入含碳多孔预制体中，利用两者原位反应(Si+C＝SiC)最终获得致密材料。熔渗预制体的孔隙结构决定了硅熔体的渗流动力学过程与原位反应热力学过程，是RMI制备高性能碳化硅陶瓷基复合材料的首要考虑因素。目前，预制体孔隙结构的调控主要依赖液相树脂浸渍-热解法，然而树脂在裂解过程中会沿着纤维束径向剧烈收缩，导致束内、束间孔隙结构相差较大。与束间相比，纤维束内的树脂碳致密、孔隙小，硅熔体渗入不充分，会有大量残留碳生成。而束间由于孔隙较大，会有大量残留硅。残留碳和残留硅会恶化材料高温抗氧化/力学性能，因此在材料的制备过程中必须尽量消除。为消除残留碳和残留硅，必须从熔渗预制体孔隙结构的调控寻找思路。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种利用短切纤维构造熔渗预制体制备碳化硅陶瓷基复合材料的方法，包括：

(1)将短切纤维、碳化硅粉体、粘结剂和溶剂混合，得到碳化硅浆料；

(2)将碳纤维布或碳化硅纤维布进入所得碳化硅浆料中，得到纤维浸浆片后，依次经烘干、裁剪、叠层、固化、热解，得到熔渗预制体；

(3)将硅粉或硅合金粉置于熔渗预制体周围，再经反应烧结，得到所述碳化硅陶瓷基复合材料。

与通常采用液相树脂基浆料构造熔渗预制体相比，本方法的优势为可利用短切纤维的“枝化”作用抑制树脂在热解过程中沿着纤维束径向收缩，从而获得均匀孔隙结构的熔渗预制体。另外，可灵活调控短切纤维的体积含量、长径比等参数，按照熔渗动力学条件设计预制体的孔隙结构，为获得高性能碳化硅陶瓷基复合材料创造基础。

较佳的，所述短切纤维为短切碳纤维或短切碳化硅纤维中的至少一种；所述短切纤维的长度为0.01～20mm，直径为0.1～20μm；优选地，所述短切纤维的长度为0.5～5mm，直径为1～10μm。

较佳的，所述碳化硅粉体的粒径为0.01～50μm，优选为0.5～20μm。

较佳的，所述粘结剂为酚醛树脂、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；所述溶剂为乙醇、异丙醇和二甲苯中的至少一种。

较佳的，所述碳化硅浆料中短切纤维的质量分数为5％～25％；所述碳化硅浆料中碳化硅粉体的质量分数为10％～40％。

较佳的，所述碳纤维布或碳化硅纤维布表面沉积界面相层；所述界面相层的组成为BN、PyC、或SiC中的至少一种；所述界面相层的厚度为0.1～10μm，优选为0.3～1μm。

较佳的，所述纤维浸浆片厚度0.1～5mm，优选为0.3～1mm。

较佳的，所述固化的温度为80～250℃，固化的压力0.1～20MPa。