一种提高碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料抗氧化性能的方法

本发明属于复合材料，尤其涉及一种提高碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料抗氧化性能的方法。

背景技术：

1、碳纤维/碳化硅(c/sic)复合材料具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、热膨胀系数低、高温力学性能好等优点，使用碳纤维增强的sic陶瓷克服了其固有的断裂韧性低、抗冲击载荷性能和抗热震性能差等缺陷，因而在航空航天等领域具有广阔的应用前景。

2、随着航空航天技术的进一步发展，人们对新一代航天飞行器的发展需求越来越高，碳纤维/碳化硅复合材料的抗氧化性能时长要求也越来越高。虽然c/sic复合材料在抗高温氧化性能上优于c/c等复合材料，但是碳纤维本身的抗氧化性能差，在c/sic复合材料制备过程中，无论是化学气相沉积还是聚合物浸渍裂解工艺，都避免不了存在大量孔隙，表面也会有裸露的纤维，在高温下氧气环境下，氧气会首先将表层的碳纤维氧化，并沿着孔隙抵达复合材料内部，最终导致材料的性能下降甚至失效。研究表明，sic有两种氧化行为：被动氧化(passive oxidation)和主动氧化(active oxidation)。发生被动氧化时，生成具有保护作用的sio2膜并伴随质量的增加；发生主动氧化时，生成具有挥发性的sio并伴随质量的减少。为了提高碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的抗氧化性能，现有技术中有采用单层涂覆的形式，将sic与c/sic复合材料相结合，但是由于sic与c/sic复合材料之间还存在一定的热膨胀失配问题，长时间使用后单层sic涂层极易出现龟裂甚至脱落，造成涂层失效。

3、基于上述技术问题，本发明提出了一种提高碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料抗氧化性能的新方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种提高碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料抗氧化性能的方法，利用sic层自身的氧化特性，采用预氧化方法，将表面沉积有sic涂层的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合基体材料在1300-1400℃的温度下进行短时间预氧化处理，通过工艺控制，在复合材料表面形成sio2致密膜，从而提升c/sic复合材料在600℃到1300℃下的抗氧化性能，此方法对c/sic复合材料本身的其他性能不产生影响。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提出了一种提高碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(c/sic复合材料)抗氧化性能的方法，在碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合基体材料表面沉积sic涂层，之后经过预氧化处理，使碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合基体材料表面的sic涂层原位生成sio2膜，实现碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料抗氧化性能的提高。

4、c/sic复合材料中的sic涂层在高温下发生被动氧化可生成玻璃态的sio2致密膜，可进一步阻止氧气的进入，从而对基体与碳纤维起到保护作用。因此可利用sic涂层在高温环境下形成的致密氧化膜，来提高c/sic复合材料整体的抗氧化性能。

5、进一步地，碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面沉积的sic涂层厚度为0.1-0.3mm。

6、进一步地，所述预氧化处理为在保护气氛下，将表面沉积有sic涂层的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合基体材料升温至1300℃-1400℃，并在空气中保温1-4h，之后在保护气氛下降温至室温。

7、更进一步地，升温速率为10-15℃/min。

8、更进一步地，所述保护气的流量为50-200ml/min，所述空气的流量为100-200ml/min。

9、更进一步地，所述保护气为ar。

10、进一步地，所述sic涂层采用化学气相法进行沉积。

11、进一步地，所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合基体材料采用化学气相法制备。

12、更进一步地，本发明一种通过预氧化方法提高碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(c/sic复合材料)抗氧化性能的方法具体包括以下步骤：

13、(1)碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合基体材料的制备

14、将碳纤维预制体置于热解碳的化学气相渗透炉中，以10-15℃/min的升温速度，在流量为100-300ml/min的ar气保护下，将化学气相渗透炉升温至900-1100℃，再以300-500ml/min的流量通入甲烷气体，真空度保持1-3kpa，并在该温度下保持120-300min，随后停止通入甲烷气体，停止加热，将化学气相渗透炉降温到常温，得到试样a；

15、将试样a置于sic的化学气相渗透炉中，在流量为100-300ml/min的ar气保护下，以6-10℃/min的升温速度将化学气相渗透炉升温至1000-1200℃，调节三氯甲基硅烷、ar气和氢气的流量分别为0.2-0.4g/min、400-1000ml/min和400-1000ml/min并通入化学气相渗透炉，在试样a上开始沉积sic基体并连续沉积100h-300h，得到碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合基体材料；

16、(2)sic涂层的沉积

17、将步骤(1)得到的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合基体材料置于化学气相渗透炉内，将炉内温度升至1200-1300℃，调节三氯甲基硅烷、ar气和氢气的流量分别为0.4-0.6g/min、400-1000ml/min和400-1000ml/min并持续通入化学气相渗透炉，开始沉积sic涂层，连续沉积6-12h，沉积完成后停止通入三氯甲基硅烷及氢气，持续通入流量为100-300ml/min的ar气保护降温至常温，得到表面沉积有0.1-0.3mm厚sic涂层的c/sic陶瓷基复合材料；

18、(3)预氧化处理

19、将步骤(2)得到的沉积有sic涂层的c/sic陶瓷基复合材料置于氧化预处理炉中，在流量50-200ml/min的ar气保护下，按照10-15℃/min的升温速度，将氧化预处理炉升温至1300℃-1400℃，关掉ar气，通入空气，流量保持在100-200ml/min，恒温保持时间为1h-4h，之后在流量50-200ml/min的ar气保护下，降温到300℃以下断电，继续将氧化预处理炉降到常温，得到预氧化处理后的c/sic陶瓷基复合材料，表面形成sio2膜层。

20、本发明还提出了一种上述方法制备得到的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。

21、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

22、(1)本发明在c/sic复合材料(碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料)表面原位沉积sic涂层，再经过预氧化处理，c/sic复合材料表面原位生成一层致密的氧化硅膜，得到了一种自带抗氧化特性的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。c/sic复合材料表面的sio2膜层均匀致密，对材料有很好的保护作用，能够有效阻止氧气的渗入，sic涂层出现龟裂甚至脱落，造成涂层失效的问题，大幅降低材料在1200℃以下的热失重程度，有效地提升了碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的抗氧化性能，同时能够保留c/sic复合材料原有的优异性能。

23、(2)本发明可以制备出抗氧化性能良好的c/sic陶瓷基复合材料，其工艺简单，工业生产简单，经济性良好，具有广阔的应用前景。