[發明專利]一種高強度碳/碳-碳化硅復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 202110349715.8
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113045325B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 郭領軍;徐晶
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/84;C04B35/83
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種高強度碳/碳?碳化硅復合材料的制備方法，采用12K T800的PAN基三維碳纖維預制體，等溫化學氣相滲透方法在碳纖維表面生長高織構熱解碳，高強纖維與高織構熱解碳的引入大大增加了碳/碳?碳化硅復合材料的彎曲強度，之后采用反應溶滲工藝，等溫化學氣相滲透法與反應溶滲工藝結合不僅減小了碳/碳?碳化硅復合材料孔隙率，使碳/碳?碳化硅復合材料的彎曲強度進一步增加，其彎曲強度可高達320?420MPa，同時降低了生產周期和制備成本。

技術領域

本發明屬于碳/碳-碳化硅復合材料的制備方法，涉及一種高強度碳/碳-碳化硅復合材料的制備方法，碳/碳-碳化硅復合材料的體積密度為2.00-2.40g/cm³，彎曲強度為320-420MPa。

背景技術

由于碳/碳復合材料具有低密度、抗沖刷、耐燒蝕以及優異的力學性能，已被成功的應用于航天飛行器的熱端部件。但隨著航空航天領域的發展，碳/碳復合材料無法滿足越來越苛刻的應用環境。因而急需改善碳/碳復合材料的性能。目前，常用的提高碳/碳復合材料的方法有：(1)涂層防護技術。即在碳/碳復合材料表面制備具有一定厚度、成分均勻且致密的涂層，在空氣氣氛下涂層內組成成分與氧反應形成一層穩定的玻璃膜，以實現對碳/碳復合材料的防護。(2)碳/碳復合材料自身改善。即改變預制體結構和熱解碳的微觀結構以實現碳/碳復合材料性能提高。(3)基體改性技術。即在碳/碳復合材料內引入抗氧化組元，在氧化氣氛下，抗氧化組元優先與氧反應，形成玻璃膜，進而對碳/碳復合材料防護。涂層防護作用有限，無法實現工程化應用。因此，可調整熱解碳微觀結構和抗氧化組元的引入，例如，引入高織構熱解碳和碳化硅，高織構熱解碳和碳化硅具有高的強度、抗燒蝕和抗沖刷性能，在氧化環境下碳化硅與氧優先反應形成二氧化硅玻璃膜對碳/碳復合材料進行防護。目前，常用制備碳基體的方法有前驅體熱解法和化學氣相滲透法。而常用制備碳化硅的方法有化學氣相滲透法、前驅體裂解法和反應溶滲工藝。在制備碳基體方法中，前驅體熱解法對碳纖維損傷小，但制備周期長；化學氣相滲透法制備的熱解碳性能優異且周期短，但對設備要求高。在制備碳化硅的方法中，化學氣相滲透法制備碳/碳-碳化硅復合材料強度高，抗氧化優異，但周期長且制備成本高。前驅體熱解法制備碳化硅，制備過程中對碳纖維損傷小，碳/碳-碳化硅復合材料強度高，但制備周期長，前驅體轉化率低且成本高；采用反應溶滲工藝制備碳化硅，其具有成本低、周期短且利于工程化應用，但該方法制備碳/碳-碳化硅復合材料強度較低。

文獻“張瑩，王雅雷，葉志勇，熊翔，陳招科，孫威，曾毅，低溫反應熔滲制備C/C-SiC復合材料的微觀結構和力學性能.應用技術學報，2018，18(4):317-323.”采用低溫反應溶滲工藝制備C/C-SiC復合材料，但其彎曲強度僅為136MPa。

文獻“朱耘璣，邱海鵬，孫明，李秀倩，羅京華，C/C-SiC復合材料兩種制備工藝及材料性能.航空制造技術，2009，118-121.”采用粗糙層熱解碳為界面，分別采用反應溶滲工藝與聚合物前驅體浸漬裂解工藝制備出兩種C/C-SiC復合材料，其最大彎曲強度分別為155MPa和287MPa。該反應溶滲工藝在氮氣保護下負壓狀態下制備而得到的，因此對設備要求高制備成本有所增加，同時彎曲強度較低，其值為155MPa。聚合物前驅體浸漬裂解工藝制備的C/C-SiC復合材料彎曲強度較大，其值為287MPa，但是其制備周期長，前驅體轉化率低，成本高。

文獻“謝建偉.C/SiC復合材料的結構與力學性能.中南大學，2007.”分別采用化學氣相滲透法與反應溶滲法制備C/C-SiC復合材料，研究結果表明：化學氣相滲透法制備的C/C-SiC復合材料，最大彎曲強度為329MPa，而反應溶滲工藝制備的C/C-SiC復合材料，最大彎曲強度為131MPa。雖然化學氣相滲透法制備的C/C-SiC復合材料彎曲強度高，但工藝周期長。反應溶滲工藝制備的C/C-SiC復合材料彎曲強度低，但工藝周期短。

發明內容

要解決的技術問題