[發(fā)明專利]一種碳陶材料及其制備方法和應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011052256.9
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112266258B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發(fā)明（設計）人: 龍憲海;周峰;匡湘銘;汪莉;何家琪;王成華
• 申請（專利權）人: 中京吉泰（北京）科技有限責任公司
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/565;C04B35/622
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 黃麗

本發(fā)明公開了一種碳陶材料及其制備方法和應用，碳陶材料包括以下質量分數的組分：碳纖維為20％～30％，CVD?C為20％～40％，CVD?SiC為10％～25％，PIP?SiC為10％～30％，LSI?SiC為5％～15％和殘余Si小于10％。制備方法包括：在碳纖維預制體上沉積C、沉積SiC層、先驅體浸漬固化裂解SiC、樹脂浸漬固化碳化以及液相滲硅，得到包含三種類型SiC的C/C?SiC復合材料，即碳陶材料。本發(fā)明的碳陶材料兼具優(yōu)異的摩擦磨損性能、力學性能和熱學性能，并且各組分含量可根據實際需求進行靈活調整，滿足了高性能制動和航空航天結構件領域對材料性能的要求。

技術領域

本發(fā)明屬于復合材料制備技術領域，涉及一種碳陶材料及其制備方法和應用，尤其涉及一種包含有三種類型SiC的碳陶材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著經濟技術的飛速發(fā)展，國內外近年來大量開展碳陶(C/C-SiC)復合材料的制備技術和應用研究。碳陶材料具有密度低、抗熱震、耐磨、抗腐蝕、抗氧化、摩擦性能對外界環(huán)境介質(如霉菌、油污、潮濕等)不敏感和壽命長等優(yōu)點。C/C-SiC復合材料作為主要的防熱材料，結合了碳纖維和碳化硅基本的優(yōu)勢，被廣泛應用于航空、航天等領域。尤其在航空航天飛行器上需要承受極高溫度、抗燒蝕、抗沖刷等嚴重情況的特殊部位具有很大的潛力。同時因為碳陶制動材料具有優(yōu)異的摩擦磨損性能，是近些年發(fā)展起來的一種新型制動材料，在高速列車、飛機等高能剎車領域具有廣泛的應用前景。鐵路作為重要的交通運輸方法必須面臨效率的挑戰(zhàn)，提速是提高鐵路運行效率的最優(yōu)方法，因此高速列車時速300km/h以上已成為鐵路發(fā)展的必然趨勢。列車運行速度的提高對其安全性構成了重大的挑戰(zhàn)，這就要求列車重要的安全系統性能必須隨之大幅提高。列車的制動系統作為列車運行安全的重要保證，其性能也受到越來越多的重視，提高高速列車制動材料性能和減輕制動材料比重是進一步實現高速列車高速化和輕量化的必經之路。因此，碳陶復合材料成為代替?zhèn)鹘y摩擦材料的研究熱點。

SiC作為碳陶材料的主要基體成分，在材料中引入SiC，通常有化學氣相沉積法(Chemical vapor deposition，CVD)方法、先驅體浸漬-裂解(Precursor infiltrationand pyrolysis，PIP)法、液相滲硅法(Liquid silicon infiltration，LSI)或氣相滲硅法(Gas silicon infiltration，GSI)。不同的制備方法在材料中引入SiC的類型不同，雖能在一定程度上提高材料的性能，但是，卻都存在不同的缺陷，例如，CVD工藝制備的SiC摩擦系數偏低，PIP工藝制備的SiC與其它組分結合力弱，使用過程中SiC易脫落，LSI工藝或GSI工藝制備的SiC在摩擦過程中磨損較大等。中國專利文獻CN109372916A公開了一種陶瓷增強碳/碳復合材料制動盤的制備方法。制備過程是將碳纖維預制體放入沉積爐中，先采用化學氣相滲透工藝沉積碳，再使用液相樹脂或液相瀝青進行浸漬-碳化工藝，得到碳/碳復合材料制動盤坯體，然后將該坯體進行液相滲硅處理，進行機械加工，最終得到陶瓷增強碳/碳復合材料制動盤。通過這種工藝制備得到的SiC類型單一，且晶粒較大，均為方棱形，磨損較大。中國專利文獻CN106064951B公開了一種C/C-SiC復合材料及其制備方法，該方法首先在碳纖維預制體上引入基體碳，然后通過化學氣相沉積SiC層，再使用氣相滲硅燒結工藝(GSI工藝)使硅蒸汽與碳反應生成SiC(以下稱GSI-SiC)。但是該專利文獻中，化學氣相沉積產生的SiC(以下稱CVD-SiC)層覆蓋住了基體碳，因為CVD-SiC層非常致密，氣態(tài)硅不能和基體碳接觸，所以碳硅反應的碳源很少，反應條件差，導致碳硅反應生成的GSI-SiC含量少，不利于材料摩擦磨損性能提升。

碳陶材料中碳硅反應碳源的引入，常見方法有瀝青浸漬碳化、樹脂浸漬-固化-熱解和化學氣相沉積等。中國專利文獻CN102617178A公開了一種C/SiC復合材料的制備方法，該方法主要包括以下步驟：在碳纖維預制體沉積SiC層，浸漬瀝青和碳化，氣相滲硅。由于SiC和碳纖維理化性質差異較大，該專利文獻利用SiC層直接保護碳纖維，會導致兩者之間界面結合性能差，對材料機械性能造成不利影響。