[發明專利]一種利用硼硅玻璃對碳化硅基復合材料改性的方法

無效

• 申請號: 201310100358.7
• 申請日: 2013-03-26
• 公開（公告）號: CN103193509A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 成來飛;劉永勝;張立同;左新章;范尚武
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B41/85
• 分類號: C04B41/85;C04B35/83
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

技術領域

本發明涉及一種改性碳化硅基體從而提高復合材料力學性能的技術領域，具體是一種硼硅玻璃對碳化硅基復合材料的改性方法。

背景技術

碳化硅基復合材料（C/SiC和SiC/SiC）具有耐高溫、密度低、強度高、抗腐蝕和低的熱膨脹系數等優異的結構性能，已成為航空發動機等熱端部件最具潛力的新型高溫結構材料之一。由于制備工藝（如化學氣相滲透CVI和前驅體浸漬裂解PIP）的限制，材料在制備過程中不可避免的會殘留10～15%的孔隙，同時，由于復合材料各結構單元（如碳纖維和SiC基體）的熱膨脹系數不同，殘余熱應力使材料本身產生大量的微裂紋。孔隙和裂紋的存在影響復合材料的力學性能，尤其對強度和剛度的影響更為嚴重。

中國專利（CN101508591A）公開了一種Ti₃SiC₂改性C/SiC復合材料的制備方法，該改性方法采用漿料浸漬法把TiC顆粒引入C/SiC復合材料內部，再通過硅溶液滲透工藝將Si引入材料內部，并與TiC反應生成Ti₃SiC₂和SiC，從而降低材料內部的孔隙，達到改性C/SiC復合材料的目的。雖然該方法可明顯提高復合材料的韌性，但對于其他力學性能并未提及，而且該改性方法制備溫度高，成本較高。

中國專利（CN?101503305A）和美國專利（US5246736）在低壓高溫環境下通過化學氣相滲透（CVI）B-C和Si-B-C陶瓷對C/SiC復合材料的SiC基體進行改性，制備成多元多層結構的基體，可以顯著提高C/SiC復合材料在高溫服役環境下的性能以及使用壽命。但是，經過改性后的復合材料仍有10%左右的孔隙，無法進一步致密化，從而影響其強度及剛度性能。此外，該方法還具有工藝復雜、制備周期長、成本高等缺點。

硅硼玻璃具有良好的化學穩定性以及良好的滲透性能，可通過液相浸漬的方法滲透到復合材料內部，改性復合材料的基體，達到封填基體內部的孔隙和微裂紋，降低材料的孔隙率，從而提高碳化硅基復合材料的強度和剛度性能。由于碳化硅基復合材料是近年來發展的新型材料，目前尚無利用液相浸漬法制備硼硅玻璃對碳化硅基復合材料的基體進行改性的相關報道。

發明內容

為克服現有技術中存在的無法進一步致密化，從而影響其強度及剛度性能的不足，本發明提出了一種利用硼硅玻璃對碳化硅基復合材料改性的方法。

本發明的具體過程是：

步驟1，制備硼酸飽和醇溶液：將16～20g的硼酸粉末和100ml甲醇加入容器中。將所述的容器置于溫度為70℃的油浴槽內，并攪拌均勻，得到混合液。對得到的混合液進行油浴，油浴的溫度為69℃，保溫1h，得到硼酸飽和醇溶液。

步驟2，制備硅酸乙酯水解液：將硅酸乙酯、蒸餾水和甲醇加入容器中混合攪拌0.5h，使其均勻，然后滴入濃鹽酸調整pH為3～4，再繼續攪拌1h，得到充分溶解的硅酸乙酯水解液，密封待用。

制備硅酸乙酯水解液的硅酸乙酯：蒸餾水：甲醇的體積比為1：0.2～0.3：1。

步驟3，碳化硅基復合材料表面清洗：將碳纖維增強碳化硅基復合材料在自來水中超聲清洗0.5h，放入120～180℃的烘箱中干燥2～4h，取出自然冷卻至室溫。

步驟4，對碳化硅基復合材料浸漬：將碳化硅基復合材料分別置于得到的硼酸飽和醇溶液內和硅酸乙醇水解液中浸漬，具體是：

將碳化硅基復合材料置于硼酸飽和醇溶液內浸漬10～50小時后，放入烘箱中干燥0.5～1h，烘箱溫度為150～180℃。將干燥后的碳化硅基復合材料從烘箱中取出自然冷卻至室溫，置于硅酸乙醇水解液浸漬10～50小時后，放入150～180℃烘箱中干燥0.5h。浸漬時控制環境的相對濕度低于30%；

重復所述對碳化硅基復合材料浸漬的過程3～5遍，得到浸漬后的碳化硅基復合材料。

步驟5，熱處理：將經過浸漬的碳化硅基復合材料置于真空爐中，對該真空爐升溫至1000～1200℃，保溫2小時，使浸漬到復合材料內部的物相反應形成硼硅玻璃基體。保溫處理結果后，隨爐冷卻到室溫，得到硼硅玻璃改性的碳化硅基復合材料。真空爐的升溫速率為5～10℃/min。