制备C/SiC复合材料的方法与流程

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体的，本发明涉及制备C/SiC复合材料的方法。

背景技术：

目前，碳/碳化硅(C/SiC)复合材料由于具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能，在航空航天、国防军工及刹车材料领域具有广泛的应用前景。而现阶段，制备C/SiC复合材料主要的方法包括有先驱体浸渍裂解法(PIP)、反应熔融渗透法(RMI)以及化学气相渗透法(CVI)等方法，其中，RMI法虽致密性最好但会对碳纤维容易造成损伤而降低材料的性能，CVI法制备的厚度较大的构件内部是难以致密化的，而PIP法具有成本低、可制备大型异形构件等优势，成为研究的热点，但是PIP法对材料内部的细微孔隙致密化困难，使其应用受到一定限制。

所以，现阶段的先驱体浸渍裂解法制备C/SiC复合材料的方法仍有待改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

本发明是基于发明人的下列发现而完成的：

本发明的发明人经过深入研究发现，可通过多次反复的先驱体浸渍裂解法制备出高致密化的、且材料机械性能更好的C/SiC复合材料，相比于现有的反应熔融渗透法，不会对C/C多孔复合材料表面造成损伤。并且，每个先驱体浸渍裂解周期中的加压浸渍步骤，可使SiC陶瓷前驱体更容易进入样品内部细微的孔隙，从而可减少为了满足致密化要求的重复周期数，还可使该方法制备出的C/SiC复合材料致密度近似于反应熔融渗透法。

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种高致密化的、不会损伤C/C多孔复合材料表面的或者材料机械性能更好的C/SiC复合材料的制备方法。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种制备C/SiC复合材料的方法。

根据本发明的实施例，所述方法包括多个重复周期，每个所述重复周期包括：(1)将C/C多孔复合材料浸渍在SiC陶瓷前驱体中；(2)对浸有所述C/C多孔复合材料的所述SiC陶瓷前驱体进行加压浸渍；(3)对所述加压浸渍后的C/C多孔复合材料进行交联裂解。

发明人意外地发现，采用本发明实施例的制备方法，通过多次反复的先驱体浸渍裂解法制备出高致密化且材料机械性能更好的C/SiC复合材料，相比于现有的反应熔融渗透法，不仅不会对C/C多孔复合材料表面造成损伤，且能使复合材料的性能提高10～20％。并且，每个先驱体浸渍裂解周期中的加压浸渍步骤，可使SiC陶瓷前驱体更容易进入C/C多孔复合材料内部的细微孔隙，从而可减少为了满足致密化要求的重复周期数，还可使该方法制备出的C/SiC复合材料致密度近似于反应熔融渗透法。

另外，根据本发明上述实施例的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述C/C多孔复合材料的密度为0.75～1.55g/cm³。

根据本发明的实施例，所述重复周期的个数为6～15。

根据本发明的实施例，所述浸渍的真空压力为10～800Pa、浸渍时间为6～20小时。

根据本发明的实施例，所述加压浸渍的加压气体包括选自高纯氮气和高纯氩气的至少一种。

根据本发明的实施例，所述加压浸渍的压力为1～8MPa。

根据本发明的实施例，所述加压浸渍的时间为0.5～5小时。

根据本发明的实施例，所述交联裂解的交联温度为200～500摄氏度、交联保温时间为0.5～3小时。

根据本发明的实施例，所述交联裂解的裂解温度为800～1500摄氏度、裂解保温时间为1～5小时。

根据本发明的实施例，所述交联裂解的工艺保护气体包括选自高纯氮气和高纯氩气的至少一种。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的制备C/SiC复合材料的方法流程示意图；

图2是本发明一个实施例制备的C/SiC复合材料的断面扫描电镜照片。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备C/SiC复合材料的方法。参照图1，对本发明的制备方法进行详细的描述。

根据本发明的实施例，该制备方法可包括多个重复周期，需要说明的是，本文中“多个重复周期”具体是指两个或两个以上的重复周期，而每个重复周期可包括：

S100：将C/C多孔复合材料浸渍在SiC陶瓷前驱体中。

在该步骤中，将C/C多孔复合材料浸没于装有SiC陶瓷前驱体的真空浸渍设备中进行浸渍处理，如此，可使SiC陶瓷前驱体通过扩散效应进入C/C多孔复合材料的孔隙中。

根据本发明的实施例，C/C多孔复合材料的具体种类不受特别的限制，本领域常用种类的C/C多孔复合材料均可，只要该种类的C/C多孔复合材料具有孔隙即可，具体例如碳纤维，等等，本领域技术人员可根据待制备出的C/SiC复合材料的具体性能要求进行相应地选择，在此不再赘述。

根据本发明的实施例，SiC陶瓷前驱体的具体种类也不受特别的限制，本领域常用种类的SiC陶瓷前驱体均可，本领域技术人员可根据待制备出的C/SiC复合材料的具体使用要求和陶瓷基的具体种类进行相应地选择和设计，在此不再赘述。

根据本发明的实施例，浸渍的具体工艺条件，例如压力和时间等，都不受特别的限制，本领域技术人员可根据C/C多孔复合材料的具体种类和实际浸渍的效果进行相应地调整。在本发明的一些实施例中，浸渍的真空压力可以为10～800Pa、浸渍时间可以为6～20小时，如此采用上述工艺条件的浸渍处理可促进SiC陶瓷前驱体进入C/C多孔复合材料的孔隙中，而使制备出的C/SiC复合材料的致密度更高。并且，发明人在研究过程中发现，浸渍的真空压力若低于10Pa则会破坏C/C多孔复合材料的内部结构，若高于800Pa则SiC陶瓷前驱体会不容易进入C/C多孔复合材料的孔隙中；而浸渍时间若短于6小时，则SiC陶瓷前驱体进入C/C多孔复合材料的孔隙中的均匀程度不一致，而超过20小时后，SiC陶瓷前驱体也不会进一步渗入C/C多孔复合材料的细微孔隙。

S200：对浸有C/C多孔复合材料的SiC陶瓷前驱体进行加压浸渍。

在该步骤中，在对浸有C/C多孔复合材料的SiC陶瓷前驱体进行浸渍之后，可进一步进行加压浸渍处理，如此，可使SiC陶瓷前驱体更容易进入C/C多孔复合材料内部的细微孔隙，从而提高制备出的C/SiC复合材料致密度的同时，还可减少重复周期的数目，进而提高生产效率。

根据本发明的实施例，加压浸渍的具体压力条件不受特别的限制，本领域技术人员可根据C/C多孔复合材料的具体种类及其孔隙的具体尺寸，进行相应地调整。在本发明的一些实施例中，加压浸渍的压力可以为1～8MPa，如此，可有效地使SiC陶瓷前驱体更容易进入C/C多孔复合材料内部的细微孔隙。并且，发明人在研究过程中发现，加压浸渍的压力若超过8MPa，则会破坏C/C多孔复合材料的内部结构，若小于1MPa则无法促进SiC陶瓷前驱体进入C/C多孔复合材料内部的细微孔隙。

根据本发明的实施例，加压浸渍的具体时间也不受特别的限制，本领域技术人员可根据C/C多孔复合材料的具体种类及其孔隙的具体尺寸，进行相应地调整。在本发明的一些实施例中，加压浸渍的时间为0.5～5小时，如此，可有效地使SiC陶瓷前驱体更容易进入C/C多孔复合材料内部的细微孔隙。并且，发明人在研究过程中发现，加压浸渍的时间若低于0.5小时，则SiC陶瓷前驱体无法均匀地渗入C/C多孔复合材料内部的细微孔隙，若高于5小时，也不会进一步提高制备出的C/SiC复合材料致密度。

根据本发明的实施例，加压浸渍的加压气体的具体种类也不受特别的限制，本领域技术人员可根据SiC陶瓷前驱体的具体种类以及其后续在交联裂解中发生的具体反应类型进行相应地选择。在本发明的一些实施例中，加压浸渍的加压气体可包括选自高纯氮气和高纯氩气的至少一种，如此，采用上述类型的高稳定性的惰性气体，可保证后续步骤的交联裂解反应中的副反应少，从而可进一步提高制备出的C/SiC复合材料的性能。

S300：对加压浸渍后的C/C多孔复合材料进行交联裂解。

在该步骤中，在加压浸渍完成后，可将C/C多孔复合材料置于烧结炉内进行交联裂解处理，如此，可使C/C多孔复合材料孔隙中的SiC陶瓷前驱体反应形成陶瓷基。

根据本发明的实施例，交联裂解的交联温度可以为200～500摄氏度、交联保温时间可以为0.5～3小时，如此，可使C/C多孔复合材料孔隙中的SiC陶瓷前驱体进行高效地交联。根据本发明的实施例，交联裂解的具体交联温度，本领域技术人员可根据SiC陶瓷前驱体的具体种类进行相应地设置和调整，在此不再赘述。根据本发明的实施例，交联裂解的具体交联保温时间，本领域技术人员也可根据SiC陶瓷前驱体的具体种类及实际聚合程度进行相应地调整，在此不再赘述。

根据本发明的实施例，交联裂解的裂解温度可以为800～1500摄氏度、裂解保温时间可以为1～5小时如此，可使C/C多孔复合材料孔隙中高效地形成陶瓷基。根据本发明的实施例，交联裂解的具体裂解温度，本领域技术人员可根据SiC陶瓷前驱体的具体种类进行相应地设置和调整，在此不再赘述。根据本发明的实施例，交联裂解的具体裂解保温时间，本领域技术人员也可根据SiC陶瓷前驱体的具体种类及实际裂解情况进行相应地调整，在此不再赘述。

根据本发明的实施例，交联裂解的工艺保护气体的具体种类不受特别的限制，本领域技术人员可根据SiC陶瓷前驱体的具体种类以及其在交联裂解中发生的具体反应类型进行相应地选择。在本发明的一些实施例中，交联裂解的工艺保护气体可包括选自高纯氮气和高纯氩气的至少一种，如此，采用上述类型的高稳定性的惰性气体，可保证交联裂解反应中的副反应少，从而可进一步提高制备出的C/SiC复合材料的性能。

根据本发明的实施例，C/C多孔复合材料的密度可以为0.75～1.55g/cm³，如此，采用上述密度的C/C多孔复合材料具有合适的孔隙率，且制备出的C/SiC复合材料的机械性能更好。在本发明的一些实施例中，对于上述密度的C/C多孔复合材料，制备方法中的重复周期的个数可为6～15，如此，在达到C/SiC复合材料致密化要求的同时，重复周期数更少，从而有利于提高生产效率。

根据本发明的实施例，重复周期的具体个数，本领域技术人员可根据C/C多孔复合材料的具体密度和SiC陶瓷前驱体的具体种类进行实际地调整。在一些具体示例中，对于密度为0.75g/cm³的C/C多孔复合材料，重复周期的个数可为13～15次，如此，可使陶瓷基填充在高孔隙率、低密度的C/C多孔复合材料中的空隙中。在另一些具体示例中，对于密度为0.9g/cm³的C/C多孔复合材料，重复周期的个数可为13次，如此，可获得高致密化且材料机械性能更好的C/SiC复合材料。在另一些具体示例中，对于密度为1.3g/cm³的C/C多孔复合材料，重复周期的个数可为8次，如此，可获得高致密化且材料机械性能更好的C/SiC复合材料。在另一些具体示例中，对于密度为1.55g/cm³的C/C多孔复合材料，重复周期的个数可为6～8次，如此，可使陶瓷基填充在低孔隙率、高密度的C/C多孔复合材料中的空隙中。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种制备方法，通过多次反复的先驱体浸渍裂解法制备出高致密化且材料机械性能更好的C/SiC复合材料，相比于现有的反应熔融渗透法，不仅不会对C/C多孔复合材料表面造成损伤，且能使复合材料的性能提高10～20％。并且，每个先驱体浸渍裂解周期中的加压浸渍步骤，可使SiC陶瓷前驱体更容易进入样品内部细微的孔隙，从而可减少为了满足致密化要求的重复周期数，还可使该方法制备出的C/SiC复合材料致密度近似于反应熔融渗透法。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

在该实施例中，制备C/SiC复合材料。具体制备方法的步骤如下：

(1)将密度为1.3g/cm³的C/C多孔复合材料浸没于装有SiC陶瓷先驱体的真空浸渍设备中进行浸渍，浸渍工艺为：压力200Pa，时间8h；

(2)将步骤(1)所制得样品再进行加压浸渍，加压浸渍工艺为：加压气体采用高纯氮气(N2)，时间为1h，压力为5MPa；

(3)将步骤(2)所制得的样品置于烧结炉内进行交联裂解，交联裂解工艺为：交联温度为280℃，裂解温度为1000℃，交联保温时间为1h，裂解保温时间为3h，工艺保护气体为高纯氩气(Ar)；

(4)将步骤(3)所制得的样品反复进行8次步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)，直至样品致密。

该实施例的制备出的C/SiC复合材料，其断面的扫描电镜照片如图2所示，从图2可看出，材料为韧性断裂，有大量的碳纤维拔出。并且，经过测试可获得该实施例的C/SiC复合材料的力学性能：密度为2.01g/cm³，抗压强度为304MPa，弯曲强度为299MPa，而断裂韧性为35MPa·m^1/2。

实施例2

在该实施例中，按照与实施例1基本相同的方法和条件，制备C/SiC复合材料。区别在于，在该实施例中：步骤(1)中，C/C多孔复合材料的密度为0.9g/cm³，浸渍工艺的压力为800Pa、时间为18h；步骤(2)中，加压浸渍工艺的压力为7MPa、时间为3h；步骤(3)中，交联裂解工艺的交联温度为450℃、裂解温度为1280℃、交联保温时间为2.5h、裂解保温时间为5h；步骤(4)中，重复周期的个数为13次。

该实施例的制备出的C/SiC复合材料，其致密度更好、机械性能更佳。

实施例3

在该实施例中，按照与实施例1基本相同的方法和条件，制备C/SiC复合材料。区别在于，在该实施例中：步骤(1)中，C/C多孔复合材料的密度为0.75g/cm³，浸渍工艺的压力为800Pa、时间为20h；步骤(2)中，加压浸渍工艺的压力为8MPa、时间为5h；步骤(3)中，交联裂解工艺的交联温度为500℃、裂解温度为1400℃、交联保温时间为3h、裂解保温时间为5h；步骤(4)中，重复周期的个数为15次。

该实施例的制备出的C/SiC复合材料，其致密度更好、机械性能更佳。

实施例4

在该实施例中，按照与实施例1基本相同的方法和条件，制备C/SiC复合材料。区别在于，在该实施例中：步骤(1)中，C/C多孔复合材料的密度为1.55g/cm³，浸渍工艺的压力为10Pa、时间为6h、加压气体采取高纯氩气(Ar)；步骤(2)中，加压浸渍工艺的压力为1MPa、时间为0.5h、工艺保护气体采取高纯氮气(N2)；步骤(3)中，交联裂解工艺的交联温度为300℃、裂解温度为800℃、交联保温时间为0.5h、裂解保温时间为1h；步骤(4)中，重复周期的个数为6次。

该实施例的制备出的C/SiC复合材料，其致密度更好、机械性能更佳。

总结

综合实施例1～4可得出，本发明所提出的制备方法，通过多次反复的先驱体浸渍裂解法制备出高致密化且材料机械性能更好的C/SiC复合材料，相比于现有的反应熔融渗透法，不仅不会对C/C多孔复合材料表面造成损伤，且能使复合材料的性能提高10～20％。并且，每个先驱体浸渍裂解周期中的加压浸渍步骤，可使SiC陶瓷前驱体更容易进入C/C多孔复合材料内部的细微孔隙，从而可减少为了满足致密化要求的重复周期数，还可使该方法制备出的C/SiC复合材料致密度近似于反应熔融渗透法。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。