一种精确控制MI-SiC/SiC复合材料中SiC纤维体积分数的方法与流程

本发明属于陶瓷基复合材料制备，尤其涉及一种精确控制mi-sic/sic复合材料中sic纤维体积分数的方法。

背景技术：

1、连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(sic/sic)具有高强度、低密度、耐高温等突出优点，且具有类似金属的非脆性断裂行为，可靠性高，国外已经将sic/sic材料用于制造航空航天热结构件。

2、sic/sic材料的制备方法主要有以下几种：化学气相渗透法(chemical vaporinfiltration，cvi)熔融浸渗法(melt infiltration，mi)纳米渗透瞬态共晶法(nano-infiltration and trasient eutectic，nite)、溶胶-凝胶法(sol-gel)、先驱体浸渍裂解法(precursor impregnation and pyrolysis，pip)、cvi+pip及nite+pip等组合制备工艺(刘虎，杨金华，焦健，航空发动机用连续sic/sic复合材料制备工艺及应用前景，航空制造技术，2017)。

3、在这些技术中，mi工艺制备的sic/sic复合材料(mi-sic/sic)具有孔隙率低、导热率高、层间剪切强度高等性能优势，且该工艺还有制备周期短、成本低的突出优点，因此已在国外应用于制造航空发动机和工业燃气轮机热端构件。

4、美国通用电气(ge)公司开发了单向预浸带-熔渗(prepreg-mi)工艺，并发展了以为牌号的mi-sic/sic复合材料产品，已经成功应用于航空发动机及工业燃气轮机的涡轮外环、燃烧室等热结构件(董绍明，胡建宝，张翔宇，sic/sic复合材料mi工艺制备技术，航空制造技术，2014，6)。单向预浸带-mi工艺主要包括以下步骤：(1)首先采用化学气相沉积(cvd)技术在sic纤维表面制备界面层；(2)将sic粉体、碳粉体与树脂粘结剂、表面活性剂与溶剂混合，制备成陶瓷浆料，使浆料浸入带涂层的纤维束，湿法卷绕形成sic纤维单向预浸带；(3)单向预浸带层叠后形成复合材料预制体，然后经过固化实现定型；(4)热解将树脂碳化，其它有机组分以气态排出，形成带有大量微孔的预制体，为后续渗硅提供通道；(5)最后将硅粉或硅块升温至熔融状态(＞1410℃)，液态硅在毛细管力的作用下渗入多孔的纤维预制体，硅和碳反应生成碳化硅，制备出致密的mi-sic/sic复合材料。

5、与金属材料相比，mi-sic/sic等陶瓷基复合材料最大的缺点之一就是力学性能离散度大，导致可靠性低。为了弥补该缺点，在构件设计的时候，只能降低材料性能的设计许可值，提高设计安全系数，严重影响了mi-sic/sic材料的利用效率。

6、造成mi-sic/sic复合材料力学性能离散度高的主要因素之一是纤维体积分数的偏差。在制备单向预浸带的时候，常用的技术是将浸入浆料的sic纤维束丝通过一个具有确定孔径(一般为φ0.5mm-φ2mm)的小孔，将多余的浆料去除，以便控制束丝中浆料的含量。这种方法的缺点如下：(1)sic纤维会在小孔处聚集，导致小孔部分甚至全部堵塞，使复合材料中sic纤维体积分数受到影响；(2)小孔与纤维之间的刮擦对纤维造成损伤，从而损害复合材料的性能；(3)单向预浸带中树脂的含量波动大，导致sic纤维体积分数出现偏差；(4)单向预浸带的表面高低不平，预浸带厚度不均匀，在叠层过程中，容易产生孔隙，导致预制体致密度降低，造成sic纤维体积分数偏差。因此需要一种更为有效的控制sic纤维单向预浸带中浆料含量的方法，在不损伤纤维的情况下，保持sic纤维体积分数稳定，进而提高mi-sic/sic复合材料的力学性能一致性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种精确控制mi-sic/sic复合材料中sic纤维体积分数的方法，以解决上述技术问题。

2、本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：

3、1、一种精确控制mi-sic/sic复合材料中sic纤维体积分数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、1)在连续sic纤维表面制备复合界面层，获得带界面层的连续纤维；

5、2)将碳化硅粉体、碳粉体、树脂粘合剂、分散剂以及溶剂混合球磨，制得陶瓷浆料；

6、3)将带有复合界面层的连续纤维通过sic陶瓷浆料池中，用瓷眼去除多余浆料，最后在湿态下单层卷绕在设有脱模纸的卷绕筒上，得到单向预浸带粗料；

7、4)在单向预浸带粗料表面依次覆盖脱模布、吸附毡和脱模纸，随后将其置于辊压机的双辊之间，通过调整辊轮间距，辊压得到不同厚度的单向预浸带；

8、5)将单向预浸带经叠层、热压罐固化、惰性气氛下高温碳化和真空下熔融渗硅，获得mi-sic/sic陶瓷基复合材料。

9、优选的，所述步骤1)中的复合界面层从纤维表层向外依次为bn涂层、si3n4涂层和c涂层，采用化学气相沉积法制备而成。

10、优选的，所述bn涂层的厚度为200nm-600nm，si3n4涂层的厚度为100nm-500nm，c涂层的厚度为5nm-50nm。

11、优选的，所述步骤2)中陶瓷浆料的固含量为20％-50％，其中碳化硅粉体的粒度为0.5μm-5μm，碳粉体的粒度为0.1μm-5μm，树脂粘合剂为环氧树脂、酚醛树脂或者糠醛树脂中的任意一种。

12、优选的，所述步骤3)中瓷眼的瓷眼孔直径为φ3mm-φ5mm，单向预浸带粗料的厚度为0.2mm-0.6mm。

13、优选的，所述步骤4)中单向预浸带的厚度为0.2mm-0.4mm。

14、优选的，所述步骤5)中热压罐的固化压力为0.5mpa-2mpa；温度为80℃-150℃，保温时间为0.5h-10h；高温碳化在任一惰性气氛中进行，温度为900℃-1300℃，保温时间为0.5h-5h；熔融渗硅温度为1410℃-1450℃，渗硅时间为1min-60min。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明采用具有较大孔径的瓷眼控制sic纤维束丝中浆料的含量，以降低计量孔的堵塞，以及计量孔与纤维之间摩擦造成的纤维损伤；

17、2、本发明使用辊压机对单向预浸带辊压，通过控制双辊之间的距离，严格控制单向预浸带的厚度，从而精确控制复合材料中sic纤维体积分数；

18、3、本发明该方法工艺简单、成本低，适合批量连续生产，具有工程化应用的价值。

技术特征：

1.一种精确控制mi-sic/sic复合材料中sic纤维体积分数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种精确控制mi-sic/sic复合材料中sic纤维体积分数的方法，其特征在于，所述步骤1)中的复合界面层从纤维表层向外依次为bn涂层、si3n4涂层和c涂层，采用化学气相沉积法制备而成。

3.根据权利要求2所述的一种精确控制mi-sic/sic复合材料中sic纤维体积分数的方法，其特征在于，所述bn涂层的厚度为200nm-600nm，si3n4涂层的厚度为100nm-500nm，c涂层的厚度为5nm-50nm。

4.根据权利要求1所述的一种精确控制mi-sic/sic复合材料中sic纤维体积分数的方法，其特征在于，所述步骤2)中陶瓷浆料(4)的固含量为20％-50％，其中碳化硅粉体的粒度为0.5μm-5μm，碳粉体的粒度为0.1μm-5μm，树脂粘合剂为环氧树脂、酚醛树脂或者糠醛树脂中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种精确控制mi-sic/sic复合材料中sic纤维体积分数的方法，其特征在于，所述步骤3)中瓷眼(5)的瓷眼孔直径为φ3mm-φ5mm，单向预浸带粗料(7)的厚度为0.2mm-0.6mm。

6.根据权利要求1所述的一种精确控制mi-sic/sic复合材料中sic纤维体积分数的方法，其特征在于，所述步骤4)中单向预浸带(12)的厚度为0.2mm-0.4mm。

7.根据权利要求1所述的一种精确控制mi-sic/sic复合材料中sic纤维体积分数的方法，其特征在于，所述步骤5)中热压罐的固化压力为0.5mpa-2mpa；温度为80℃-150℃，保温时间为0.5h-10h；高温碳化在任一惰性气氛中进行，温度为900℃-1300℃，保温时间为0.5h-5h；熔融渗硅温度为1410℃-1450℃，渗硅时间为1min-60min。

技术总结
本发明公开了一种精确控制MI‑SiC/SiC复合材料中SiC纤维体积分数的方法，目的是解决MI‑SiC/SiC复合材料中SiC纤维体积分数偏差较大的技术问题，技术方案为：在连续SiC纤维表面制备复合涂层，制备陶瓷浆料，将连续SiC纤维经过陶瓷浆料池，用瓷眼去除多余浆料，卷绕在卷绕筒上，得到单向预浸带粗料，经过辊压机辊压，得到不同厚度的单向预浸带，经叠层成型、热压罐固化、高温碳化和熔融渗硅，获得MI‑SiC/SiC陶瓷基复合材料。本发明采用具有较大孔径的瓷眼控制SiC纤维束丝中浆料的含量，以降低计量孔的堵塞，以及计量孔与纤维之间摩擦造成的纤维损伤，使用辊压机对单向预浸带辊压，严格控制单向预浸带的厚度，从而精确控制复合材料中SiC纤维体积分数。

技术研发人员：马付根
受保护的技术使用者：合肥富维康新材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13