[发明专利]一种碳纤维增韧碳化硅密封材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维增韧碳化硅密封材料及其制备方法，该制备方法主要包括如下步骤：先提供碳纤维自中心向两侧呈梯度分布的碳纤维预制体；然后采用化学气相浸渍‑反应体熔渗工艺对碳纤维预制体进行处理，得到多孔C/SiC复合材料中间体；之后采用化学气相浸渍工艺对多孔C/SiC复合材料预制体表面进行致密化处理，得到致密的C/SiC复合材料；最后对致密的C/SiC复合材料预制体进行磨削加工、抛光处理，即制得碳纤维增韧碳化硅密封材料。采用本发明的制备方法能将碳纤维增韧碳化硅密封材料冲击韧性提高到与硬质合金相当的水平，有望在水下动力系统等海洋环境下机械密封装置上获得广泛的应用。

技术领域

本发明涉及机械密封材料领域，具体的说是一种碳纤维增韧碳化硅密封材料及其制备方法。

背景技术

传统碳化硅陶瓷密封材料具有高硬度、耐磨损、化学稳定性好等特点，是性能良好的新型机械密封材料。与目前水下动力系统常用的硬质合金机械密封材料相比，高PV值(理论值63MPa·m/s)的常压烧结碳化硅陶瓷密封材料的耐海水腐蚀、耐磨性、抗颗粒冲刷性能显著提高，但其冲击韧性明显降低。在高速高压且伴有冲击振动的工况下，碳化硅陶瓷密封材料容易发生崩边、碎裂等问题，造成机械密封装置故障，难以保证水下动力系统等海洋环境下机械密封装置高速高压且伴有冲击振动的工况要求。因此，针对海洋环境下水下动力系统等机械密封装置用高速高压旋转机械密封材料，需要对碳化硅进行强韧化处理，以提高抗冲击性能。

公开号为CN104496478A的中国专利公开了一种常压烧结制备自润滑碳化硅密封材料的方法；中国专利、公开号为CN 1036414482A、公开日为2014年03月19日的自润滑碳化硅陶瓷密封材料的制备方法；、公开号为CN 101255330的中国专利公开了一种常压烧结微孔碳化硅石墨自润滑密封环及其制造方法；以上专利所表述的均为常压烧结碳化硅密封材料的制备方法，其制备的碳化硅密封材料冲击韧性一般为2.2～2.8kJ/m²，难以满足水下动力系统等海洋环境下机械密封装置高速高压且伴有冲击振动的工况要求。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种碳纤维增韧碳化硅密封材料及其制备方法，采用本发明的制备方法能将碳纤维增韧碳化硅密封材料冲击韧性提高到与硬质合金相当的水平，有望在水下动力系统等海洋环境下机械密封装置上获得广泛的应用。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种碳纤维增韧碳化硅密封材料的制备方法，主要包括如下步骤：

(1)、提供碳纤维自中心向两侧呈梯度分布的碳纤维预制体；

(2)、采用化学气相浸渍-反应体熔渗(CVI-RMI)工艺对碳纤维预制体进行处理，得到多孔C/SiC复合材料预制体；

(3)、采用化学气相浸渍工艺对多孔C/SiC复合材料预制体表面进行致密化处理，得到致密的C/SiC复合材料预制体；

(4)、对致密的C/SiC复合材料预制体进行磨削加工、抛光处理，即制得碳纤维增韧碳化硅密封材料。

进一步地，步骤(1)中，碳纤维预制体包括中部的纤维增韧层以及设于纤维增韧层两侧的摩擦密封层；其中，纤维增韧层主要采用三维针刺结构的长纤维，摩擦密封层主要采用短纤维。

进一步地，步骤(1)中，碳纤维预制体中自中心向两侧铺层时，网胎层的厚度逐渐增大，长纤维体积分数降低。

进一步地，步骤(2)中，先采用化学气相浸渍工艺在碳纤维预制体表面依次制备热解碳层和SiC阻隔层，得到改性碳纤维预制体；在将改性碳纤维预制体浸渍于呋喃树脂中，然后石墨化产生树脂基体碳；然后利用反应体熔渗(RMI)工艺，以硅粉为硅源反应物，在1500℃-1700℃高温环境下液体硅与树脂碳发生反应，生成微米级和亚微米级别的SiC基体，得到多孔C/SiC复合材料中间体。

进一步地，步骤(2)中，热解碳层与SiC阻隔层的厚度均为200～300nm。