一种SiCf/SiC复合材料预制体的PIP快速致密化方法与流程

本发明涉及复合材料致密化领域，尤其涉及一种SiCf/SiC复合材料预制体的PIP快速致密化方法。
背景技术：
：SiCf/SiC复合材料具有高温强度大、重量轻、耐腐蚀和耐磨损性好等优异性能，且其高温能力将改善发动机性能、推重比和耗油率，是长寿命航空发动机高温结构件的理想材料。SiCf/SiC复合材料的基体SiC的制备方法有化学气相渗透法(CVI)、反应性熔体浸渗法(RMI)、先驱体浸渍裂解法(PIP)，但化学气相渗透法(CVI)存在制备周期长、易在纤维表面形成闭孔导致最终的致密度不高；反应性熔体浸渗法(RMI)因高温烧结易造成纤维的损伤，复合材料的力学性能较低等缺陷。PIP是SiCf/SiC复合材料的基体SiC制备首先方法，它是将SiCf/SiC复合材料预制体放入浸渍炉内，抽真空吸入浸渍液(如聚碳硅烷+二甲苯体系)浸渍SiCf/SiC复合材料预制体预制体，通入一定氩气，聚碳硅烷进行交联固化再经过高温裂解转化为SiC基体，随后重复浸渍-裂解过程数个周期以最终制得致密的复合材料。传统的PIP浸渍裂解在使用碳硅烷与二甲苯作为浸渍液对SiC纤维预制体进行SiC基体致密化时，在整个致密化过程采用固定浓度的浸渍液配比和相同的工艺参数，没有考虑聚碳硅烷与二甲苯在不同的质量比时浸渍液的黏度、填充性与预制体孔隙之间的关系，以及高温裂解时的保温时间与先驱体聚碳硅烷的转化率之间的关系，从而导致PIP浸渍裂解的制备周期长，成本高。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明提出一种SiCf/SiC复合材料预制体的PIP快速致密化方法。在SiCf/SiC复合材料预制体的不同密度阶段，采用合理的聚碳硅烷与二甲苯的质量比，并调整优化高温裂解的保温时间，使得先驱体充分转化为SiC基体，缩短PIP浸渍裂解的制备周期，实现快速致密化，这些都是目前国内外文献、专利没有公开报道的。具体的，一种SiCf/SiC复合材料预制体的PIP快速致密化方法，包括将SiCf/SiC复合材料预制体浸渍于浸渍液的步骤，所述浸渍液由200目的聚碳硅烷和分析纯级的二甲苯均匀混合而成，在致密化过程中的不同阶段，采用聚碳硅烷与二甲苯不同质量比的浸渍液。优选的，在致密化过程中的第一阶段采用聚碳硅烷与二甲苯的质量比为1：5～1：4的浸渍液，第二阶段采用聚碳硅烷与二甲苯的质量比为3：5～2：3的浸渍液；第三阶段采用聚碳硅烷与二甲苯的质量比为2：5～1：2的浸渍液。优选的，包括以下步骤:S1,将SiCf/SiC复合材料预制体浸没于浸渍液中,浸渍压力保持在10kPa～15kPa,浸渍时间为90-150min；所述浸渍液由200目的聚碳硅烷和分析纯级的二甲苯，按质量比1：5～1：4的比例均匀混合而成；S2，充入惰性气体，使浸渍压力保持在1MPa～2MPa，浸渍时间120-180min；S3，将浸渍后的SiCf/SiC复合材料预制体烘干固化3h～5h，保持温度100℃；S4，将烘干固化后的SiCf/SiC复合材料预制体进行高温裂解，保温过程中一直抽真空。具体工艺参数为：抽真空至炉内压力≤10Pa，由室温升至200℃～300℃，保温45min～55min；由200℃～300℃升温至500℃～600℃，保温40min～50min；由500℃～600℃，升温至1000℃～1100℃，保温3.5h～4h；S5；再重复上述步骤S1至S4一至四次；S6,将上步中SiCf/SiC复合材料预制体浸没于浸渍液中,浸渍压力保持在10kPa～15kPa,浸渍时间为90-150min；所述浸渍液由200目的聚碳硅烷和分析纯级的二甲苯，按质量比3：5～2：3的比例均匀混合而成；S7，充入惰性气体，使浸渍压力保持在1MPa～2MPa，浸渍时间120-180min；S8，将浸渍后的SiCf/SiC复合材料预制烘干固化3h～5h，保持温度100℃；S9，将烘干固化后的SiCf/SiC复合材料预制体放入电阻炭化炉内进行高温裂解；具体工艺参数为：抽真空至炉内压力≤10Pa，由室温升至200℃～300℃，保温45min～55min；由200℃～300℃升温至500℃～600℃，保温40min～50min；由500℃～600℃升温至1000℃～1100℃，保温3.5h～4h；S10；再重复上述步骤S6至S9一至四次；S11,将上步中SiCf/SiC复合材料预制体浸没于浸渍液中,浸渍压力保持在10kPa～15kPa,浸渍时间为90-150min；所述浸渍液由200目的聚碳硅烷和分析纯级的二甲苯，按质量比2：5～1：2的比例均匀混合而成；S12，充入惰性气体，使浸渍压力保持在1MPa～2MPa，浸渍时间120-180min；S13，将浸渍后的SiCf/SiC复合材料预制体烘干固化3h～5h，保持温度100℃；S14，将烘干固化后的SiCf/SiC复合材料预制体进行高温裂解，保温过程中一直抽真空。具体工艺参数为：抽真空至炉内压力≤10Pa，由室温升至200℃～300℃，保温30min～40min；升温至500℃～600℃，保温30min～40min；升温至1000℃～1100℃，保温2.5h～3h；S15；再重复上述步骤S11至S14一至四次；S16，处理完成，得到致密化的SiCf/SiC复合材料预制体。优选的，所述惰性气体为氩气。优选的，S5中再重复次数为1次，S10中再重复次数为3次，S15中再重复次数为2次。优选的，S4、S9和S14中的高温裂解装置为电阻炭化炉。优选的，S1、S6和S11中的浸渍时间为120min。本发明的有益效果在于：(1)针对SiCf/SiC复合材料预制体浸渍裂解过程中的密度变化，设计相应的聚碳硅烷与二甲苯的质量比和高温裂解保温时间，可实现PIP过程中的快速致密化。(2)本发明采用三个阶段，第一阶段采用稀的浸渍液(聚碳硅烷与二甲苯的质量比1：5～1：4)，容易填充纤维束内的孔隙，解决纤维束内小孔隙难以填充的问题；第二阶段采用较浓的浸渍液(聚碳硅烷与二甲苯的质量比3：5～2：3)，填充纤维束间的大孔隙，可以提高致密化速度；第三阶段采用较稀的浸渍液(聚碳硅烷与二甲苯的质量比2：5～1：2)，可以防止在PIP致密化后期预制体表面结壳，显著提高预制体的密度。(3)PIP后预制体密度达到2.3g/cm3以上，制备周期较传统PIP工艺缩短25％以上。(4)浸渍液中聚碳硅烷与二甲苯不同的质量比，可以实现闭孔较少、基体均匀、并且表面无结壳现象的SiCf/SiC复合材料。(5)高温裂解温度较低，纤维损伤较小，综合力学性能优异。附图说明图1是本发明的流程图。具体实施方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。具体的，一种SiCf/SiC复合材料预制体的PIP快速致密化方法，取1件SiCf/SiC复合材料预制体，采用三维四向编织，初始密度为1.1g/cm3，规格为300mm×200mm×20mm。按照本发明提供的方法进行浸渍裂解。工艺过程分为以下三个阶段：(1)第一阶段工艺过程为：步骤1：首先按质量比1：5比例分别称取规格为200目的聚碳硅烷500g与分析纯级别的二甲苯2500g，全部装入烧杯中配制成所需的浸渍液，并不断采用玻璃棒搅拌直至均匀。步骤2：然后将SiCf/SiC复合材料预制体放入浸渍炉内的浸渍桶中，浸渍炉内抽真空至10kPa时关闭真空泵，通过吸料管将步骤13中配制好的浸渍液抽入浸渍炉内的浸渍桶中淹没该预制体，真空浸渍2h，然后通入氩气使得浸渍炉内压力达到2MPa，保持2.5h，使浸渍液浸入到SiCf/SiC复合材料预制体孔隙内。然后打开放气阀释放氩气至该浸渍炉内压力为大气压，取出该预制体。步骤3：再将浸渍好后的SiCf/SiC复合材料预制体放入100℃烘箱内烘干固化3.5h。步骤4：最后将烘干固化后的SiCf/SiC复合材料预制体放入电阻炭化炉内进行高温裂解，保温过程中一直抽真空。具体工艺参数为：抽真空至电阻炭化炉内压力5Pa，由室温升至250℃，保温20min；由250℃升温至600℃，保温20min；由600℃升温至1100℃，保温1h。处理后按排水法测量SiCf/SiC复合材料预制体的密度，重复步骤10、步骤11、步骤12共计两个循环，密度测量结果见表1，SiCf/SiC复合材料预制体经过第一阶段工艺后达到1.36g/cm3。表1SiCf/SiC复合材料预制体第一阶段工艺的密度循环次数密度(g/cm3)第一循环1.22第二循环1.36(2)第二阶段工艺过程为：步骤5：首先按质量比5：8(3：5～2：3范围内)比例分别称取规格为200目的聚碳硅烷500g与分析纯级别的二甲苯800g，全部装入烧杯中配制成所需的浸渍液，并不断采用玻璃棒搅拌直至均匀。步骤6：然后将SiCf/SiC复合材料预制体放入浸渍炉内的浸渍桶中，浸渍炉内抽真空至10kPa时关闭真空泵，通过吸料管将步骤17配制好的浸渍液抽入浸渍炉内的浸渍桶中淹没该预制体，真空浸渍2h，然后通入氩气使得浸渍炉内压力达到2MPa，保持2.5h，使浸渍液充分浸入到SiCf/SiC复合材料预制体孔隙内。步骤7：再将浸渍好后的SiCf/SiC复合材料预制体放入100℃烘箱内烘干固化3.5h。步骤8：最后将烘干固化后的SiCf/SiC复合材料预制体放入电阻炭化炉内进行高温裂解，保温过程中一直抽真空。具体工艺参数为：抽真空至电阻炭化炉内压力5Pa，由室温升至250℃，保温50min；由250℃升温至600℃，保温50min；由600℃升温至1100℃，保温3h30min。处理后按排水法测量SiCf/SiC复合材料预制体的密度，重复步骤6、步骤7、步骤8共计四个循环，密度测量结果见表2，SiCf/SiC复合材料预制体经过第二阶段工艺后达到1.98g/cm3。表2SiCf/SiC复合材料预制体第二阶段工艺的密度循环次数密度(g/cm3)第三循环1.52第四循环1.68第五循环1.85第六循环1.98(3)第三阶段工艺过程为：步骤9：首先按质量比1：2比例分别称取规格为200目的聚碳硅烷500g与分析纯级别的二甲苯1000g，全部装入烧杯中配制成所需的浸渍液，并不断采用玻璃棒搅拌直至均匀。步骤10：然后将SiCf/SiC复合材料预制体放入浸渍炉内的浸渍桶中，浸渍炉内抽真空至10kPa时关闭真空泵，通过吸料管将步骤21配制好的浸渍液抽入浸渍炉内的浸渍桶中淹没该预制体，真空浸渍2h，然后通入氩气使得浸渍炉内压力达到2MPa，保持2.5h，使浸渍液浸入到SiCf/SiC复合材料预制体孔隙内。然后打开放气阀释放氩气至该浸渍炉内压力为大气压，取出该预制体。步骤11：再将浸渍好后的SiCf/SiC复合材料预制体放入100℃烘箱内烘干固化3.5h。步骤12：最后将烘干固化后的SiCf/SiC复合材料预制体放入电阻炭化炉内进行高温裂解，保温过程中一直抽真空。具体工艺参数为：抽真空至电阻炭化炉内压力5Pa，由室温升至250℃，保温30min；由250℃升温至600℃，保温30min；由600℃升温至1100℃，保温2h。处理后按排水法测量SiCf/SiC复合材料预制体的密度，重复步骤10、步骤11、步骤12共计三个循环，密度测量结果见表3，SiCf/SiC复合材料预制体经过第三阶段工艺后达到2.32g/cm3。表3SiCf/SiC复合材料预制体第三阶段工艺的密度循环次数密度(g/cm3)第七循环2.08第八循环2.2第九循环2.32为了说明本实施的有益技术效果，特附上一个对比试验结果：该对比试验是按照传统PIP浸渍裂解(即在整个致密化过程采用固定浓度的浸渍液配比和相同的工艺参数)方法进行对比试验，然后测量不同循环的密度变化。取1件SiCf/SiC复合材料预制体，采用三维四向编织，初始密度为1.1g/cm3，规格为300mm×200mm×20mm。为了使得对比具有可比性，在此过程中按照本
发明内容的第一阶段工艺中的相应参数进行PIP。首先准备规格为200目的聚碳硅烷与分析纯级的二甲苯，按质量比1：5的比例称取该聚碳硅烷与二甲苯，装入烧杯中配制成所需的浸渍液，并不断采用玻璃棒搅拌直至均匀。然后将SiCf/SiC复合材料预制体放入浸渍炉内的浸渍桶中，浸渍炉内抽真空至10kPa，通过吸料管将步骤1中配制好的浸渍液抽入浸渍桶中淹没该预制体，真空浸渍2h。再次然后通入氩气使得浸渍炉内压力达到2MPa，保持2h，使浸渍液浸入到SiCf/SiC复合材料预制体孔隙内。打开放气阀释放氩气至该浸渍炉内压力为大气压，取出该预制体。再将浸渍好后的SiCf/SiC复合材料预制体放入100℃烘箱内烘干固化3.5h。最后将烘干固化后的SiCf/SiC复合材料预制体放入电阻炭化炉内进行高温裂解，保温过程中一直抽真空。具体工艺参数为：具体工艺参数为：抽真空至电阻炭化炉内压力5Pa，由室温升至250℃，保温20min；由250℃升温至600℃，保温20min；由600℃升温至1100℃，保温1h。重复以上浸渍-裂解过程16个循环，密度测量结果见表4，最终SiCf/SiC复合材料预制体密度达到2.17g/cm3。表4SiCf/SiC复合材料预制体传统PIP的密度变化对比可知：和本发明的实例1相比，本发明的PIP最终密度可以达到2.32g/cm3，具有周期短的特点，其可以实现SiCf/SiC复合材料预制体的快速致密化。需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。当前第1页1 2 3