专利名称：一种碳纤维增韧的碳－碳化硅基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳-碳化硅基复合材料及其制备方法，特别是涉及一种碳纤维增韧的碳-碳化硅基复合材料及其制备方法。
背景技术：
随着新型发动机的研制和新概念航天运载器的发展，对高温结构材料提出了更高的要求。纤维增强陶瓷基复合材料因在高温下具有高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀性好和低密度等优良性能，在战略武器和空间技术等领域具有广泛的应用前景，近年来越来越受到材料工作者的重视。
SiC陶瓷具有良好的高温强度、高温稳定性和高温抗氧化能力，但由于其分子结构的键合特点，缺乏塑性变形能力，表现为脆性，严重影响了其作为结构材料的应用。碳纤维拥有良好的高温力学性能和热性能，在惰性环境中超过2000℃仍能保持其力学性能不降低。用碳纤维增强SiC陶瓷，材料在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量，既增强了材料的强度和韧性，又保持了SiC陶瓷良好的高温性能。碳纤维增强碳化硅复合材料缺点在于碳纤维与碳化硅基体热膨胀匹配不够理想，存在较多低温裂纹缺陷，影响复合材料的力学性能和热性能，制约了复合材料的发展。
在碳纤维增强碳化硅复合材料中添加另一基体相是一种提高碳纤维与基体碳化硅热膨胀匹配性的有效方法。本发明通过添加基体碳，制备纤维增韧的碳-碳化硅基复合材料，改善碳纤维和基体碳化硅之间的热膨胀匹配性，减少低温裂纹缺陷，从而提高复合材料的高温力学性能和热性能。
目前，制备陶瓷基复合材料的方法很多，主要有热压法、反应烧结法、直接熔融氧化法、化学气相渗透法、溶胶-凝胶法、先驱体转化法等。在复合材料的众多制备方法中，先驱体转化法由于先驱体分子可设计、成型工艺简单、制备温度较低、适于大尺寸厚壁件等特点而受到关注，是较为先进和有效的一种方法，具有工艺简单、成本较低的优点，在纤维增强聚合物基复合材料、纤维增强炭基复合材料和碳化硅基复合材料中得到应用。先驱体转化法的缺点是需要进行多次浸渍，并且聚碳硅烷第一个周期高温裂解对纤维会造成化学损伤，不利于复合材料性能的提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题提供一种碳纤维增韧的碳-碳化硅基复合材料，其特征在于增强相为碳纤维，基体相由2～5层碳、碳化硅依次叠层而成，最外层是碳化硅，保证复合材料的抗氧化性能。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种上述复合材料的制备方法，其特征在于通过硼酚醛和聚碳硅烷依次浸渍热解，包括下述顺序的步骤。
(1)将碳纤维织物置于密闭容器中，抽真空后吸入硼酚醛/酒精溶液溶液，直至浸没织物。浸泡后取出，样品转移至高压釜中，升温并抽真空维持0.5～1h后加4～8MPa气压，保持1～2h后再升温150～200℃进行预固化，之后升温至210～240℃进行后固化，然后将样品置于900～1200℃氮气气氛下中裂解5～8h，获得热解碳层。
(2)再将试样置于密闭容器中，抽真空后吸入60～90℃的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液，浸没编织物，浸泡后取出，样品转移至高压釜中升温，抽真空0.5～1h后，加4～8MPa气压1～2h，并升温至150～200℃进行固化4～8h，然后将样品置于1100～1300℃氮气气氛下裂解5～8h，获得热解碳化硅层。
(3)依次重复步骤(1)和(2)各2～5次。
(4)重复步骤(2)2～3次，获得复合材料。
本发明主要优点是(1)碳纤维与碳-碳化硅基体热膨胀匹配好，复合材料低温裂纹缺陷显著减少，低温抗氧化性能提高；(2)复合材料弹性模量降低，复合材料断裂韧性提高；(3)制备方法周期短，成本低，可方便进行复合材料基体的结构设计和优化；(4)制备的碳纤维增韧的碳-碳化硅基复合材料纯度高。(5)碳纤维可以是连续碳纤维编织件，也可以是短纤维轧制的碳毡；(6)该复合材料基体由碳和碳化硅组成，密度比碳纤维增韧碳化硅小。
具体实施例方式
下面结合实施实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1(1)将连续碳纤维编织物置于丙酮中浸泡30min左右，除去碳纤维表面处理剂环氧树脂，低温烘干，除去丙酮溶剂。然后采用真空-加压法浸渍碳纤维编织物；(2)将100g硼酚醛和100g酒精混溶，配制成有机前躯体溶液；(3)将碳纤维编织物放制于预先制备好的模具中，用棉线把编织物固定于模具上，进行浸渍一段时间后取出，样品转移至高压釜中，升温至50℃，抽真空维持0.5h，然后加6MPa气压，保持1h后再升温至180℃进行预固化2h，最后升温至230℃进行后固化，然后将样品置于井式炉中1000℃，N2中裂解6h；(4)配置质量比为1∶0.4的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液；(5)再将碳纤维三维编织物置于密闭容器中，抽真空后吸入预先加热到80℃的先驱体聚碳硅烷/乙烯基苯溶液溶液浸没编织物。浸泡一段时间后取出，样品转移至高压釜中，升温至80℃，抽真空维持0.5h，然后加6MPa气压，保持1h后再升温至150℃进行固化6h。然后将样品置于井式炉中1200℃，N2中裂解。在先驱体浸渍交联裂解工艺制备3D-BCf/SiC陶瓷基复合材料过程中，一般裂解升温速率控制在15℃/min左右；(6)反复交替进行硼酚醛/酒精溶液、聚碳硅烷/乙烯基苯溶液10个浸渍-交联固化-裂解过程得到连续碳纤维增韧的碳-碳化硅基复合材料。
实施例2(1)将连续碳纤维编织物置于丙酮中浸泡30min左右，除去碳纤维表面处理剂环氧树脂，低温烘干，除去丙酮溶剂。然后采用真空-加压法浸渍碳纤维编织物；(2)将100g硼酚醛和100g酒精混溶，配制成有机前躯体溶液；(3)将碳纤维编织物放制于预先制备好的模具中，用棉线把编织物固定于模具上，进行浸渍一段时间后取出，样品转移至高压釜中，升温至50℃，抽真空维持0.5h，然后加6MPa气压，保持1h后再升温至180℃进行预固化2h，最后升温至230℃进行后固化，然后将样品置于井式炉中1000℃，N2中裂解6h；(4)再次进行步骤(3)所述过程一次；(5)配置质量比为1∶0.4的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液；(6)再将A试样碳纤维三维编织物置于密闭容器中，抽真空后吸入预先加热到80℃的先驱体聚碳硅烷/乙烯基苯溶液溶液浸没编织物。浸泡一段时间后取出，样品转移至高压釜中，升温至80℃，抽真空维持0.5h，然后加6MPa气压，保持1h后再升温至150℃进行固化6h。然后将样品置于井式炉中1200℃，N2中裂解。在先驱体浸渍交联裂解工艺制备3D-BCf/SiC陶瓷基复合材料过程中，一般裂解升温速率控制在15℃/min左右；(7)再次进行步骤(6)所述过程一次；(8)反复交替进行硼酚醛/酒精溶液—先驱体聚碳硅烷/乙烯基苯溶液6个浸渍-交联固化-裂解过程得到连续碳纤维增韧的碳-碳化硅基复合材料。
实施例3(1)将短纤维轧制的碳毡置于丙酮中浸泡30min左右，除去碳纤维表面处理剂环氧树脂，低温烘干，除去丙酮溶剂。然后采用真空-加压法浸渍短纤维轧制的碳毡；(2)将100g硼酚醛和100g酒精混溶，配制成有机前躯体溶液；(3)将短纤维轧制的碳毡放制于预先制备好的模具中，用棉线把碳毡固定于模具上，进行浸渍一段时间后取出，样品转移至高压釜中，升温至50℃，抽真空维持0.5h，然后加6MPa气压，保持1h后再升温至180℃进行预固化2h，最后升温至230℃进行后固化，然后将样品置于井式炉中1000℃，N2中裂解6h；(4)配置质量比为1∶0.4的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液；(5)再将短纤维轧制的碳毡置于密闭容器中，抽真空后吸入预先加热到80℃的先驱体聚碳硅烷/乙烯基苯溶液溶液浸没碳毡。浸泡一段时间后取出，样品转移至高压釜中，升温至80℃，抽真空维持0.5h，然后加6MPa气压，保持1h后再升温至150℃进行固化6h。然后将样品置于井式炉中1200℃，N2中裂解。在先驱体浸渍交联裂解工艺制备3D-BCf/SiC陶瓷基复合材料过程中，一般裂解升温速率控制在15℃/min左右；(6)反复交替进行硼酚醛/酒精溶液—先驱体聚碳硅烷/乙烯基苯溶液5个浸渍-交联固化-裂解过程得到短碳纤维增韧的碳-碳化硅基复合材料。
权利要求
1.一种碳纤维增韧的碳-碳化硅基复合材料，其特征在于增强相为碳纤维，基体相由2～5层碳、碳化硅依次叠层而成，最外层是碳化硅，保证复合材料的抗氧化性能。
2.一种碳纤维增韧的碳-碳化硅基复合材料的制备方法，其特征在于通过硼酚醛和聚碳硅烷依次浸渍热解，包括下述顺序的步骤(1).将碳纤维织物置于密闭容器中，抽真空后吸入硼酚醛/酒精溶液溶液，直至浸没织物；浸泡后取出，样品转移至高压釜中，升温并抽真空维持0.5～1h后加4～8MPa气压，保持1～2h后再升温150～200℃进行预固化，之后升温至210～240℃进行后固化，然后将样品置于900～1200℃氮气气氛下中裂解5～8h，获得热解碳层；(2).再将试样置于密闭容器中，抽真空后吸入60～90℃的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液，浸没编织物，浸泡后取出，样品转移至高压釜中升温，抽真空0.5～1h后，加4～8MPa气压1～2h，并升温至150～200℃进行固化4～8h，然后将样品置于1100～1300℃氮气气氛下裂解5～8h，获得热解碳化硅层；(3).依次重复步骤(1)和(2)各2～5次；(4).重复步骤(2)2～3次，获得复合材料。
全文摘要
一种碳纤维增韧的碳－碳化硅基复合材料，其特征在于增强相为碳纤维，基体相由2～5层碳、碳化硅依次叠层而成，最外层是碳化硅，保证复合材料的抗氧化性能。一种碳纤维增韧的碳－碳化硅基复合材料的制备方法，其特征在于通过硼酚醛和聚碳硅烷依次浸渍热解而成。本发明主要优点是(1)碳纤维与碳－碳化硅基体热膨胀匹配好，复合材料低温裂纹缺陷显著减少，低温抗氧化性能提高；(2)复合材料弹性模量降低，复合材料断裂韧性提高；(3)制备方法周期短，成本低，可方便进行复合材料基体的结构设计和优化；(4)制备的碳纤维增韧的碳－碳化硅基复合材料纯度高。(5)碳纤维可以是连续碳纤维编织件，也可以是短纤维轧制的碳毡；(6)该复合材料基体由碳和碳化硅组成，密度比碳纤维增韧碳化硅小。
文档编号C04B35/52GK1868971SQ20061004057
公开日2006年11月29日 申请日期2006年5月25日 优先权日2006年5月25日
发明者陈照峰, 严波 申请人:南京航空航天大学