[發明專利]一種陶瓷基復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202011056586.5
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112266259B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（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;C04B35/573;C04B35/622;C04B35/80
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 黃麗

本發明公開了一種陶瓷基復合材料及其制備方法和應用，陶瓷基復合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5％～25％，GSI?SiC為5％～15％，TiC為5％～15％和殘余Si小于3％。制備方法依次包括在碳纖維預制體上沉積C層、沉積SiC層、先驅體浸漬裂解制備SiC、浸漬瀝青?碳化、制備TiC和氣相滲硅。本發明的陶瓷基復合材料具有摩擦磨損性能、力學性能和熱學性能優異的優點，各組分含量可根據實際需求進行靈活設計與調整，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

本發明屬于復合材料制備領域，涉及一種陶瓷基復合材料及其制備方法和應用，尤其涉及一種含有多種陶瓷基體的低殘余Si復合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展，國內外近年來大量開展C/C-SiC復合材料的制備技術和應用研究。C/C-SiC陶瓷復合材料具有密度低、抗熱震、耐磨、抗腐蝕、抗氧化、摩擦性能對外界環境介質(如霉菌、油污、潮濕等)不敏感和壽命長等優點。C/C-SiC陶瓷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、抗沖刷情況嚴重的特殊部位具有很大的潛力。同時，因為碳陶(C/C-SiC)制動材料具有優異的摩擦磨損性能，是近些年發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，提速是提高鐵路運行效率的最優方法，因此高速列車時速300km/h以上已成為鐵路發展的必然趨勢。列車運行速度的提高對其安全性構成了重大的挑戰，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。碳陶復合材料成為代替傳統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(Chemical vapor deposition，CVD)法、先驅體浸漬-裂解(Precursor infiltration andpyrolysis，PIP)法、液相滲硅法(Liquid silicon infiltration，LSI)或氣相滲硅法(Gassilicon infiltration，GSI)。不同的制備方法在材料中引入SiC的方式不同，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。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，氣相沉積產生的SiC(簡稱CVD-SiC)層覆蓋住了基體碳，因為CVD-SiC層非常致密，氣態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。專利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：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，會導致兩組分之間界面性能差，對材料機械性能造成不利影響。