[發明專利]溶膠-凝膠結合反應熔體滲透快速制備大厚度連續纖維增韌SiC基復合材料的方法

有效

• 申請號: 202111117274.5
• 申請日: 2021-09-23
• 公開（公告）號: CN113683434B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 成來飛;郭廣達;葉昉;宋超坤;張立同
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B35/624
• 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

本發明涉及一種溶膠?凝膠結合反應熔體滲透快速制備大厚度連續纖維增韌SiC基復合材料的方法，將間苯二酚?甲醛淡黃色透明溶膠通過真空浸漬的方法，引入到多孔大厚度CMC?SiC中，然后將溶膠和CMC?SiC轉移至水熱反應釜內凝膠，隨后將含有間苯二酚?甲醛凝膠的多孔大厚度CMC?SiC在管式爐內裂解，采用RMI法完成連續纖維增韌SiC基復合材料的致密化。該方法快速制備的大厚度連續纖維增韌SiC基復合材料(CMC?SiC)具有高致密度，高力學性能和均勻基體相結構和成分，解決了目前RMI工藝方法中制備大厚度連續纖維增韌SiC基復合材料(CMC?SiC)周期較長，致密度低，沿厚度方向組分和結構不均勻，殘余硅或碳含量高的問題。

技術領域

本發明屬于復合材料制備方法技術領域，涉及一種溶膠-凝膠(Sol-gel)結合反應熔體滲透(RMI)快速制備大厚度連續纖維增韌SiC基復合材料(CMC-SiC)的方法。

背景技術

對于高溫腐蝕性環境(燃氣，空氣)以及復雜應力條件下工作的航空航天熱端結構部件，要求材料耐高溫并且具有高致密化程度。高致密材料一般具有高的基體開裂應力，同時表面氧化生成的致密氧化層能夠有效阻止氧氣向材料內部擴散，滿足材料長時服役要求。

連續纖維增韌SiC基復合材料(CMC-SiC)具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高比強度、高比模量、高韌性、抗蠕變等諸多優點，能較好地滿足航空航天熱端結構部件嚴苛工作環境要求。目前，CMC-SiC在薄壁簡單形狀構件上的應用研究已較為廣泛且成熟。然而，CMC-SiC在厚壁復雜形狀構件上的應用研究較少，這主要受限制于目前的制備工藝難以實現復材沿厚度方向組分和結構的均勻性。亟待發展適用于厚壁件的致密、結構和組分均勻、性能優良的CMC-SiC新型制備方法。

CMC-SiC的制備方法包括CVI(化學氣相滲透)、PIP(先驅體浸漬裂解)、MI(熔體浸滲)、RMI(反應熔體浸滲)和組合工藝。CVI工藝存在“瓶頸”效應，難以實現沿厚度方向的組分均勻性。PIP工藝制備的復合材料存在較大的開氣孔率(10％～15％)，高溫腐蝕性環境下易失效。此外，較大的體積應力不適用復雜形狀構件的成型；MI工藝制備的復合材料存在大量殘余硅(～13％)，高溫抗蠕變性能差，當溫度超過Si熔點時性能急劇下降。此外漿料浸漬過程中，沿厚度方向硬質顆粒梯度分布，材料組分均勻性差；RMI工藝具有周期短、復合材料致密度高，易制備大尺寸復雜形狀構件等優點，是快速制備高致密CMC-SiC的首選方法。RMI過程中可能存在Si熔體對界面和纖維的侵蝕問題，一般采用CVI法在界面表面沉積一定厚度的保護層以隔絕Si熔體對界面和纖維的腐蝕。由此可見，通過CVI結合RMI的組合工藝有望獲得致密、性能良好的CMC-SiC。

雖然通過CVI工藝可以在界面表面沉積一定厚度的SiC，但由于“瓶頸”效應，CVISiC主要起到保護作用，RMI工藝制備的基體相是影響最終CMC-SiC的性能的關鍵因素。要制備致密，組分和結構均勻的基體相，首先要獲得一個多孔的含碳中間體，目前含碳中間體的制備工藝主要包括PIP、CVI和Sol-gel。PIP制備的樹脂碳呈塊狀，滲硅孔隙通道多為樹脂裂解時產生的裂紋，難以滿足組分均勻的要求；CVI PyC為包覆結構，滲硅后物相出現分層，不滿足結構均勻性的要求；Sol-gel制備的碳材料為多孔碳并能有效分割大孔隙，形成有利于滲硅的通道，能較好的滿足RMI工藝的要求。

專利“董紹明,陳小武,闞艷梅,等.一種C_f/SiC-ZrC-ZrB₂超高溫陶瓷基復合材料的制備方法[P].上海：CN106747477A,2017-05-31.”采用硼酸、聚乙烯醇、甘油和水混合120℃油浴4～8h配置成溶膠，將溶膠引入到碳纖維預制體內凝膠18～24h后裂解，隨后重復浸漬裂解8～16次，在采用碳熱還原結合反應熔體浸滲法獲得了C_f/SiC-ZrC-ZrB₂超高溫陶瓷基復合材料。