專利名稱：一種碳纖維增韌的碳－碳化硅基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳-碳化硅基復(fù)合材料及其制備方法，特別是涉及一種碳纖維增韌的碳-碳化硅基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和新概念航天運(yùn)載器的發(fā)展，對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料因在高溫下具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、抗腐蝕性好和低密度等優(yōu)良性能，在戰(zhàn)略武器和空間技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，近年來越來越受到材料工作者的重視。
SiC陶瓷具有良好的高溫強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性和高溫抗氧化能力，但由于其分子結(jié)構(gòu)的鍵合特點(diǎn)，缺乏塑性變形能力，表現(xiàn)為脆性，嚴(yán)重影響了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。碳纖維擁有良好的高溫力學(xué)性能和熱性能，在惰性環(huán)境中超過2000℃仍能保持其力學(xué)性能不降低。用碳纖維增強(qiáng)SiC陶瓷，材料在斷裂過程中通過裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維斷裂和纖維拔出等機(jī)理吸收能量，既增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度和韌性，又保持了SiC陶瓷良好的高溫性能。碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料缺點(diǎn)在于碳纖維與碳化硅基體熱膨脹匹配不夠理想，存在較多低溫裂紋缺陷，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱性能，制約了復(fù)合材料的發(fā)展。
在碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料中添加另一基體相是一種提高碳纖維與基體碳化硅熱膨脹匹配性的有效方法。本發(fā)明通過添加基體碳，制備纖維增韌的碳-碳化硅基復(fù)合材料，改善碳纖維和基體碳化硅之間的熱膨脹匹配性，減少低溫裂紋缺陷，從而提高復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能和熱性能。
目前，制備陶瓷基復(fù)合材料的方法很多，主要有熱壓法、反應(yīng)燒結(jié)法、直接熔融氧化法、化學(xué)氣相滲透法、溶膠-凝膠法、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法等。在復(fù)合材料的眾多制備方法中，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法由于先驅(qū)體分子可設(shè)計(jì)、成型工藝簡(jiǎn)單、制備溫度較低、適于大尺寸厚壁件等特點(diǎn)而受到關(guān)注，是較為先進(jìn)和有效的一種方法，具有工藝簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，在纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)炭基復(fù)合材料和碳化硅基復(fù)合材料中得到應(yīng)用。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法的缺點(diǎn)是需要進(jìn)行多次浸漬，并且聚碳硅烷第一個(gè)周期高溫裂解對(duì)纖維會(huì)造成化學(xué)損傷，不利于復(fù)合材料性能的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題提供一種碳纖維增韌的碳-碳化硅基復(fù)合材料，其特征在于增強(qiáng)相為碳纖維，基體相由2～5層碳、碳化硅依次疊層而成，最外層是碳化硅，保證復(fù)合材料的抗氧化性能。
本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是提供一種上述復(fù)合材料的制備方法，其特征在于通過硼酚醛和聚碳硅烷依次浸漬熱解，包括下述順序的步驟。
(1)將碳纖維織物置于密閉容器中，抽真空后吸入硼酚醛/酒精溶液溶液，直至浸沒織物。浸泡后取出，樣品轉(zhuǎn)移至高壓釜中，升溫并抽真空維持0.5～1h后加4～8MPa氣壓，保持1～2h后再升溫150～200℃進(jìn)行預(yù)固化，之后升溫至210～240℃進(jìn)行后固化，然后將樣品置于900～1200℃氮?dú)鈿夥障轮辛呀?～8h，獲得熱解碳層。
(2)再將試樣置于密閉容器中，抽真空后吸入60～90℃的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液，浸沒編織物，浸泡后取出，樣品轉(zhuǎn)移至高壓釜中升溫，抽真空0.5～1h后，加4～8MPa氣壓1～2h，并升溫至150～200℃進(jìn)行固化4～8h，然后將樣品置于1100～1300℃氮?dú)鈿夥障铝呀?～8h，獲得熱解碳化硅層。
(3)依次重復(fù)步驟(1)和(2)各2～5次。
(4)重復(fù)步驟(2)2～3次，獲得復(fù)合材料。
本發(fā)明主要優(yōu)點(diǎn)是(1)碳纖維與碳-碳化硅基體熱膨脹匹配好，復(fù)合材料低溫裂紋缺陷顯著減少，低溫抗氧化性能提高；(2)復(fù)合材料彈性模量降低，復(fù)合材料斷裂韌性提高；(3)制備方法周期短，成本低，可方便進(jìn)行復(fù)合材料基體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化；(4)制備的碳纖維增韌的碳-碳化硅基復(fù)合材料純度高。(5)碳纖維可以是連續(xù)碳纖維編織件，也可以是短纖維軋制的碳?xì)郑?6)該復(fù)合材料基體由碳和碳化硅組成，密度比碳纖維增韌碳化硅小。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1(1)將連續(xù)碳纖維編織物置于丙酮中浸泡30min左右，除去碳纖維表面處理劑環(huán)氧樹脂，低溫烘干，除去丙酮溶劑。然后采用真空-加壓法浸漬碳纖維編織物；(2)將100g硼酚醛和100g酒精混溶，配制成有機(jī)前軀體溶液；(3)將碳纖維編織物放制于預(yù)先制備好的模具中，用棉線把編織物固定于模具上，進(jìn)行浸漬一段時(shí)間后取出，樣品轉(zhuǎn)移至高壓釜中，升溫至50℃，抽真空維持0.5h，然后加6MPa氣壓，保持1h后再升溫至180℃進(jìn)行預(yù)固化2h，最后升溫至230℃進(jìn)行后固化，然后將樣品置于井式爐中1000℃，N2中裂解6h；(4)配置質(zhì)量比為1∶0.4的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液；(5)再將碳纖維三維編織物置于密閉容器中，抽真空后吸入預(yù)先加熱到80℃的先驅(qū)體聚碳硅烷/乙烯基苯溶液溶液浸沒編織物。浸泡一段時(shí)間后取出，樣品轉(zhuǎn)移至高壓釜中，升溫至80℃，抽真空維持0.5h，然后加6MPa氣壓，保持1h后再升溫至150℃進(jìn)行固化6h。然后將樣品置于井式爐中1200℃，N2中裂解。在先驅(qū)體浸漬交聯(lián)裂解工藝制備3D-BCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料過程中，一般裂解升溫速率控制在15℃/min左右；(6)反復(fù)交替進(jìn)行硼酚醛/酒精溶液、聚碳硅烷/乙烯基苯溶液10個(gè)浸漬-交聯(lián)固化-裂解過程得到連續(xù)碳纖維增韌的碳-碳化硅基復(fù)合材料。
實(shí)施例2(1)將連續(xù)碳纖維編織物置于丙酮中浸泡30min左右，除去碳纖維表面處理劑環(huán)氧樹脂，低溫烘干，除去丙酮溶劑。然后采用真空-加壓法浸漬碳纖維編織物；(2)將100g硼酚醛和100g酒精混溶，配制成有機(jī)前軀體溶液；(3)將碳纖維編織物放制于預(yù)先制備好的模具中，用棉線把編織物固定于模具上，進(jìn)行浸漬一段時(shí)間后取出，樣品轉(zhuǎn)移至高壓釜中，升溫至50℃，抽真空維持0.5h，然后加6MPa氣壓，保持1h后再升溫至180℃進(jìn)行預(yù)固化2h，最后升溫至230℃進(jìn)行后固化，然后將樣品置于井式爐中1000℃，N2中裂解6h；(4)再次進(jìn)行步驟(3)所述過程一次；(5)配置質(zhì)量比為1∶0.4的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液；(6)再將A試樣碳纖維三維編織物置于密閉容器中，抽真空后吸入預(yù)先加熱到80℃的先驅(qū)體聚碳硅烷/乙烯基苯溶液溶液浸沒編織物。浸泡一段時(shí)間后取出，樣品轉(zhuǎn)移至高壓釜中，升溫至80℃，抽真空維持0.5h，然后加6MPa氣壓，保持1h后再升溫至150℃進(jìn)行固化6h。然后將樣品置于井式爐中1200℃，N2中裂解。在先驅(qū)體浸漬交聯(lián)裂解工藝制備3D-BCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料過程中，一般裂解升溫速率控制在15℃/min左右；(7)再次進(jìn)行步驟(6)所述過程一次；(8)反復(fù)交替進(jìn)行硼酚醛/酒精溶液—先驅(qū)體聚碳硅烷/乙烯基苯溶液6個(gè)浸漬-交聯(lián)固化-裂解過程得到連續(xù)碳纖維增韌的碳-碳化硅基復(fù)合材料。
實(shí)施例3(1)將短纖維軋制的碳?xì)种糜诒薪?0min左右，除去碳纖維表面處理劑環(huán)氧樹脂，低溫烘干，除去丙酮溶劑。然后采用真空-加壓法浸漬短纖維軋制的碳?xì)郑?2)將100g硼酚醛和100g酒精混溶，配制成有機(jī)前軀體溶液；(3)將短纖維軋制的碳?xì)址胖朴陬A(yù)先制備好的模具中，用棉線把碳?xì)止潭ㄓ谀＞呱?，進(jìn)行浸漬一段時(shí)間后取出，樣品轉(zhuǎn)移至高壓釜中，升溫至50℃，抽真空維持0.5h，然后加6MPa氣壓，保持1h后再升溫至180℃進(jìn)行預(yù)固化2h，最后升溫至230℃進(jìn)行后固化，然后將樣品置于井式爐中1000℃，N2中裂解6h；(4)配置質(zhì)量比為1∶0.4的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液；(5)再將短纖維軋制的碳?xì)种糜诿荛]容器中，抽真空后吸入預(yù)先加熱到80℃的先驅(qū)體聚碳硅烷/乙烯基苯溶液溶液浸沒碳?xì)?。浸泡一段時(shí)間后取出，樣品轉(zhuǎn)移至高壓釜中，升溫至80℃，抽真空維持0.5h，然后加6MPa氣壓，保持1h后再升溫至150℃進(jìn)行固化6h。然后將樣品置于井式爐中1200℃，N2中裂解。在先驅(qū)體浸漬交聯(lián)裂解工藝制備3D-BCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料過程中，一般裂解升溫速率控制在15℃/min左右；(6)反復(fù)交替進(jìn)行硼酚醛/酒精溶液—先驅(qū)體聚碳硅烷/乙烯基苯溶液5個(gè)浸漬-交聯(lián)固化-裂解過程得到短碳纖維增韌的碳-碳化硅基復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維增韌的碳-碳化硅基復(fù)合材料，其特征在于增強(qiáng)相為碳纖維，基體相由2～5層碳、碳化硅依次疊層而成，最外層是碳化硅，保證復(fù)合材料的抗氧化性能。
2.一種碳纖維增韌的碳-碳化硅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于通過硼酚醛和聚碳硅烷依次浸漬熱解，包括下述順序的步驟(1).將碳纖維織物置于密閉容器中，抽真空后吸入硼酚醛/酒精溶液溶液，直至浸沒織物；浸泡后取出，樣品轉(zhuǎn)移至高壓釜中，升溫并抽真空維持0.5～1h后加4～8MPa氣壓，保持1～2h后再升溫150～200℃進(jìn)行預(yù)固化，之后升溫至210～240℃進(jìn)行后固化，然后將樣品置于900～1200℃氮?dú)鈿夥障轮辛呀?～8h，獲得熱解碳層；(2).再將試樣置于密閉容器中，抽真空后吸入60～90℃的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液，浸沒編織物，浸泡后取出，樣品轉(zhuǎn)移至高壓釜中升溫，抽真空0.5～1h后，加4～8MPa氣壓1～2h，并升溫至150～200℃進(jìn)行固化4～8h，然后將樣品置于1100～1300℃氮?dú)鈿夥障铝呀?～8h，獲得熱解碳化硅層；(3).依次重復(fù)步驟(1)和(2)各2～5次；(4).重復(fù)步驟(2)2～3次，獲得復(fù)合材料。
全文摘要
一種碳纖維增韌的碳－碳化硅基復(fù)合材料，其特征在于增強(qiáng)相為碳纖維，基體相由2～5層碳、碳化硅依次疊層而成，最外層是碳化硅，保證復(fù)合材料的抗氧化性能。一種碳纖維增韌的碳－碳化硅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于通過硼酚醛和聚碳硅烷依次浸漬熱解而成。本發(fā)明主要優(yōu)點(diǎn)是(1)碳纖維與碳－碳化硅基體熱膨脹匹配好，復(fù)合材料低溫裂紋缺陷顯著減少，低溫抗氧化性能提高；(2)復(fù)合材料彈性模量降低，復(fù)合材料斷裂韌性提高；(3)制備方法周期短，成本低，可方便進(jìn)行復(fù)合材料基體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化；(4)制備的碳纖維增韌的碳－碳化硅基復(fù)合材料純度高。(5)碳纖維可以是連續(xù)碳纖維編織件，也可以是短纖維軋制的碳?xì)郑?6)該復(fù)合材料基體由碳和碳化硅組成，密度比碳纖維增韌碳化硅小。
文檔編號(hào)C04B35/52GK1868971SQ20061004057
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者陳照峰, 嚴(yán)波 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)