專利名稱：碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，尤其涉及一種碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
碳纖維增強(qiáng)碳化硅(Cf/SiC)復(fù)合材料結(jié)合了碳纖維和SiC基體的優(yōu)勢(shì)，具有低密度、高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐燒蝕、抗沖刷、高硬度和高耐磨性等特點(diǎn)，在航空航天、能源技術(shù)、化工、交通工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Cf/SiC復(fù)合材料的性能主要取決于材料的結(jié)構(gòu)，如纖維狀態(tài)及分布、基體特性、界面狀況等方面，而材料的結(jié)構(gòu)是由材料的制備工藝決定的。在Cf/SiC復(fù)合材料的各種制備工藝中，先驅(qū)體浸漬裂解(PIP)工藝在設(shè)備要求、復(fù)雜構(gòu)件近凈成型等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)， 是近十年來(lái)發(fā)展極為迅速的一種材料制備新工藝。先驅(qū)體浸漬裂解工藝又稱為先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，是在先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備陶瓷纖維的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其工藝過程是以碳纖維預(yù)制件為骨架，真空排除預(yù)制件中的空氣，采用主鏈含Si的有機(jī)聚合物(一般采用聚碳硅烷)溶液或熔融體進(jìn)行浸漬，在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行交聯(lián)固化(或晾干)，然后進(jìn)行高溫裂解使先驅(qū)體聚合物轉(zhuǎn)化為SiC陶瓷基體。由于裂解小分子逸出形成氣孔和基體裂解后的收縮，制備過程需多次實(shí)施浸漬裂解過程才能實(shí)現(xiàn)材料的致密化。在先驅(qū)體浸漬裂解工藝制備Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料過程中，先驅(qū)體通過裂解轉(zhuǎn)化為SiC基體，裂解過程對(duì)纖維、基體和界面的結(jié)構(gòu)組成存在決定性的影響，從而對(duì)材料的性能有關(guān)鍵性的影響。目前，一般采用的裂解工藝主要以常壓或加壓裂解為主，現(xiàn)有的對(duì)真空裂解工藝進(jìn)行的研究主要是集中在首周期，后續(xù)周期還是采用常壓裂解，目的也只是為了得到較好的界面結(jié)合，結(jié)果得到的材料耐高溫性能和抗氧化性能與各周期均常壓裂解得到的材料相當(dāng)，并無(wú)明顯改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種無(wú)需保護(hù)氣氛、能減少樣品表面粉塵、從而減少爐體和樣品的清理時(shí)間、并能提供強(qiáng)耐高溫性能和高抗氧化性能產(chǎn)品的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟
(1)浸漬準(zhǔn)備碳纖維編織件并置于壓力小于500Pa的真空條件下，用聚碳硅烷先驅(qū)體溶液浸漬2 h 12 h ；
(2)晾干將浸漬后的碳纖維編織件于室溫條件下晾干(晾干1h 4 h即可)；
(3)裂解將晾干后的碳纖維編織件置于壓力小于50Pa的真空條件下，以1°C /min 300C /min的升溫速度升溫到1000°C 1600°C，到溫后保溫30 min MO min進(jìn)行裂解；
重復(fù)以上浸漬-晾干-裂解周期(優(yōu)選的重復(fù)次數(shù)為15 25次)，直至本周期結(jié)束時(shí)樣品重量較上周期結(jié)束時(shí)樣品重量增重不超過1%，完成制備，得到碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料。在其余裂解工藝參數(shù)相同的情況下，本發(fā)明采用的真空裂解與常壓裂解相比，聚碳硅烷先驅(qū)體真空裂解得到的SiC基體結(jié)晶性能更好，基體中Si-O-C相成分更低，因此，制備的Cf/SiC復(fù)合材料具有更好的耐高溫性能和抗氧化性能。上述的制備方法中，所述聚碳硅烷先驅(qū)體溶液優(yōu)選為聚碳硅烷-甲苯溶液或聚碳硅烷-二甲苯溶液，所述聚碳硅烷先驅(qū)體溶液中聚碳硅烷的質(zhì)量濃度為30% 70%。上述的制備方法中，所述碳纖維編織件優(yōu)選為二維布、二維穿刺編織物、2. 5維編織物、三維四向編織物、三維五向編織物或三維六向編織物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1、本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法制得的Cf/SiC復(fù)合材料與現(xiàn)有的 Cf/SiC復(fù)合材料相比，SiC基體結(jié)晶性能更好，基體中Si-O-C相成分更低，從而具有更好的耐高溫性能和更高的抗氧化性能；
2、本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，制備過程中無(wú)需保護(hù)氣氛，減少了使用保護(hù)氣氛的費(fèi)用；
3、本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，始終采用真空裂解，能使裂解爐內(nèi)保持干凈，樣品表面粉塵沉積較少，在制備Cf/SiC復(fù)合材料，尤其是制備大型復(fù)雜構(gòu)件時(shí)，可減少爐體和樣品的清理時(shí)間，也減少了爐體和樣品因?yàn)榍謇矶軗p的風(fēng)險(xiǎn)。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中用于性能對(duì)比的Bl復(fù)合材料的斷口形貌電鏡照片；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制得的Al復(fù)合材料的斷口形貌電鏡照片； 圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中用于性能對(duì)比的Bl復(fù)合材料經(jīng)耐高溫實(shí)驗(yàn)后的斷口形貌電鏡照片；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制得的Al復(fù)合材料經(jīng)耐高溫實(shí)驗(yàn)后的斷口形貌電鏡照片； 圖5是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中用于性能對(duì)比的Bl復(fù)合材料經(jīng)抗氧化實(shí)驗(yàn)后的斷口形貌電鏡照片；
圖6是本發(fā)明實(shí)施例1制得的Al復(fù)合材料經(jīng)抗氧化實(shí)驗(yàn)后的斷口形貌電鏡照片。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1
一種本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟
(1)浸漬準(zhǔn)備三維四向碳纖維編織物并置于壓力罐中，將壓力罐內(nèi)抽真空至壓力<500 1 ,用質(zhì)量濃度為30%的聚碳硅烷-二甲苯溶液浸漬4 h ；
(2)晾干取出經(jīng)浸漬的三維四向碳纖維編織物并置于樣品架上，在室溫下晾干2h ；
(3)裂解將晾干后的三維四向碳纖維編織物置于高溫裂解爐中，抽真空至裂解爐內(nèi)壓力小于50 Pa，以10°C/min的升溫速度升溫到1200°C，到溫后保溫120 min進(jìn)行裂解；裂
4解全過程(包括升溫、保溫和降溫)中保持真空泵開啟；
重復(fù)上述的浸漬-晾干-裂解周期25次后，得到的樣品較第M周期結(jié)束時(shí)樣品的增重只有0. 90%,已小于1%，完成制備，得到Cf/SiC復(fù)合材料，記為Al復(fù)合材料。實(shí)施例2:
一種本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟
(1)浸漬準(zhǔn)備碳纖維二維布坯體并置于壓力罐中，將壓力罐內(nèi)抽真空至壓力<500Pa, 用質(zhì)量濃度為70%的聚碳硅烷-二甲苯溶液浸漬4 h ；
(2)晾干取出經(jīng)浸漬的碳纖維二維布坯體并置于樣品架上，在室溫下晾干2h ；
(3)裂解將晾干后的碳纖維二維布坯體置于高溫裂解爐中，抽真空至裂解爐內(nèi)壓力小于50 Pa，以10°C/min的升溫速度升溫到1200°C，到溫后保溫120 min進(jìn)行裂解；裂解(全過程包括升溫、保溫和降溫)中保持真空泵開啟；
重復(fù)上述的浸漬-晾干-裂解周期13次后，得到的樣品較第12周期結(jié)束時(shí)樣品的增重只有0. 88%，已小于1%，完成制備，得到Cf/SiC復(fù)合材料，記為A2復(fù)合材料。實(shí)施例3:
一種本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟
(1)浸漬準(zhǔn)備三維四向碳纖維編織物并置于壓力罐中，將壓力罐內(nèi)抽真空至壓力<500 Pa，用質(zhì)量濃度為40%的聚碳硅烷-甲苯溶液浸漬6 h ；
(2)晾干取出經(jīng)浸漬的三維四向碳纖維編織物并置于樣品架上，在室溫下晾干3h ；
(3)裂解將晾干后的三維四向碳纖維編織物置于高溫裂解爐中，抽真空至裂解爐內(nèi)壓力小于50 Pa，以20°C/min的升溫速度升溫到1400°C，到溫后保溫60 min進(jìn)行裂解；裂解全過程(包括升溫、保溫和降溫)中保持真空泵開啟；
重復(fù)上述的浸漬-晾干-裂解周期19次后，得到的樣品較第18周期結(jié)束時(shí)樣品的增重只有0. 87%，已小于1%，完成制備，得到Cf/SiC復(fù)合材料，記為A3復(fù)合材料。實(shí)施例4:
一種本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟
(1)浸漬準(zhǔn)備三維五向碳纖維編織物并置于壓力罐中，將壓力罐內(nèi)抽真空至壓力<500 Pa，用質(zhì)量濃度為40%的聚碳硅烷-甲苯溶液浸漬8 h ；
(2)晾干取出經(jīng)浸漬的三維五向碳纖維編織物并置于樣品架上，在室溫下晾干3h ；
(3)裂解將晾干后的三維五向碳纖維編織物置于高溫裂解爐中，抽真空至裂解爐內(nèi)壓力小于50 Pa，以rC/min的升溫速度升溫到1600°C，到溫后保溫30 min進(jìn)行裂解；裂解全過程(包括升溫、保溫和降溫)中保持真空泵開啟；
重復(fù)上述的浸漬-晾干-裂解周期19次后，得到的樣品較第18周期結(jié)束時(shí)樣品的增重只有0. 92%，已小于1%，完成制備，得到Cf/SiC復(fù)合材料，記為A4復(fù)合材料。實(shí)施例5:
一種本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟
(1)浸漬準(zhǔn)備三維五向碳纖維編織物并置于壓力罐中，將壓力罐內(nèi)抽真空至壓力<500 1 ,用質(zhì)量濃度為50%的聚碳硅烷-二甲苯溶液浸漬8 h ；
(2)晾干取出經(jīng)浸漬的三維五向碳纖維編織物并置于樣品架上，在室溫下晾干3h ；
(3)裂解將晾干后的三維五向碳纖維編織物置于高溫裂解爐中，抽真空至裂解爐內(nèi)壓力小于50 Pa，以30°C/min的升溫速度升溫到1200°C，到溫后保溫120 min進(jìn)行裂解；裂解全過程(包括升溫、保溫和降溫)中保持真空泵開啟；
重復(fù)上述的浸漬-晾干-裂解周期17次后，得到的樣品較第16周期結(jié)束時(shí)樣品的增重只有0. 87%，已小于1%，完成制備，得到Cf/SiC復(fù)合材料，記為A5復(fù)合材料。實(shí)施例6:
一種本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟
(1)浸漬準(zhǔn)備三維六向碳纖維編織物并置于壓力罐中，將壓力罐內(nèi)抽真空至壓力<500 1 ,用質(zhì)量濃度為60%的聚碳硅烷-二甲苯溶液浸漬3 h ；
(2)晾干取出經(jīng)浸漬的三維六向碳纖維編織物并置于樣品架上，在室溫下晾干1h ；
(3)裂解將晾干后的三維六向碳纖維編織物置于高溫裂解爐中，抽真空至裂解爐內(nèi)壓力小于50 Pa，以10°C/min的升溫速度升溫到1200°C，到溫后保溫120 min進(jìn)行裂解；裂解全過程(包括升溫、保溫和降溫)中保持真空泵開啟；
重復(fù)上述的浸漬-晾干-裂解周期16次后，得到的樣品較第15周期結(jié)束時(shí)樣品的增重只有0. 90%,已小于1%，完成制備，得到Cf/SiC復(fù)合材料，記為A6復(fù)合材料。性能測(cè)試
分別以三維四向編織物和二維布為增強(qiáng)體，聚碳硅烷為先驅(qū)體，采用常壓裂解工藝制備Cf/SiC復(fù)合材料，其余工藝參數(shù)與制備Al和A2的步驟相同，所制備的復(fù)合材料分別記為Bl禾口 B2。將上述步驟制得的復(fù)合材料Bl和B2與本發(fā)明的實(shí)施例1 實(shí)施例6制備的復(fù)合材料Al A6，分別進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示
表1 Cf/SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能
權(quán)利要求
1.一種碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)浸漬準(zhǔn)備碳纖維編織件并置于壓力小于500Pa的真空條件下，用聚碳硅烷先驅(qū)體溶液浸漬2 h 12 h ；(2)晾干將浸漬后的碳纖維編織件于室溫條件下晾干；(3)裂解將晾干后的碳纖維編織件置于壓力小于50Pa的真空條件下，以1°C /min 300C /min的升溫速度升溫到1000°C 1600°C，到溫后保溫30 min MO min進(jìn)行裂解；重復(fù)以上浸漬-晾干-裂解周期，直至本周期結(jié)束時(shí)樣品重量較上周期結(jié)束時(shí)樣品重量增重不超過1%，完成制備，得到碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述聚碳硅烷先驅(qū)體溶液為聚碳硅烷-甲苯溶液或聚碳硅烷-二甲苯溶液，所述聚碳硅烷先驅(qū)體溶液中聚碳硅烷的質(zhì)量濃度為30% 70%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 所述碳纖維編織件為二維布、二維穿刺編織物、2. 5維編織物、三維四向編織物、三維五向編織物或三維六向編織物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 所述重復(fù)以上浸漬-晾干-裂解周期的次數(shù)為15 25次。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟準(zhǔn)備碳纖維編織件并置于壓力小于500Pa的真空條件下，用聚碳硅烷先驅(qū)體溶液浸漬2h～12h；將浸漬后的碳纖維編織件于室溫條件下晾干；再置于壓力小于50Pa的真空條件下，以1℃/min～30℃/min的升溫速度升溫到1000℃～1600℃，到溫后保溫30min～240min進(jìn)行裂解；重復(fù)以上浸漬-晾干-裂解周期，直至本周期結(jié)束時(shí)樣品重量較上周期結(jié)束時(shí)樣品重量增重不超過1%，即得到Cf/SiC復(fù)合材料。本發(fā)明具有無(wú)需保護(hù)氣氛、能減少樣品表面粉塵從而減少爐體和樣品的清理時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，能提供強(qiáng)耐高溫性能和高抗氧化性能的產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102249721SQ20111013183
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者劉海韜, 徐天恒, 簡(jiǎn)科, 陳朝輝, 馬青松 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)