[发明专利]碳/碳-碳化硅陶瓷复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温结构陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种适用于加热炉炉底衬板、电车用导电滑块材料及高导电耐磨材料等耐高温耐磨损材料的低成本碳/碳-碳化硅（C/C-SiC）陶瓷复合材料的制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷具有良好的高温强度、高温稳定性、高温抗氧化性能和导电性能，但由于其分子结构的共价键强的特点，导致碳化硅陶瓷的脆性大，严重影响了其作为结构材料的应用。碳纤维拥有良好的高温力学性能和热稳定性能，在惰性环境中超过2000℃仍能保持力学性能不降低。连续纤维增强碳化硅陶瓷复合材料不仅结合了碳纤维优异的高温性能和碳化硅陶瓷优异的抗氧化性能，而且充分利用了纤维桥接和纤维拔出增韧作用，使复合材料的韧性大幅度提高，在高温热结构领域得到了广泛应用。连续纤维增强陶瓷基复合材料以其轻质、高强度和高韧性在高温热结构方面有着广阔的应用前景。相比其他的陶瓷基复合材料（Al₂O₃基和Si₃N₄基），SiC基陶瓷复合材料强度高、抗氧化性更好。

目前，国内外制备连续纤维增强碳化硅陶瓷复合材料普遍采用化学气相渗透法（CVI）和聚合物先驱体浸渍裂解法（PIP），其主要优点是适合于任意复杂形状制品，并可实现批量生产。但这两种工艺最大的缺点是制备周期长（3个月以上），导致成本高，严重制约C/C-SiC复合材料的工程化应用；而且，制备过程所需设备复杂，因此，国内外大力开发C/C-SiC复合材料低成本制备技术。此外，现有的连续纤维增强碳化硅陶瓷复合材料致密度低，陶瓷的脆性大，很容易破损。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种制备成本低廉、密度高、脆性低，不易破损、工艺简单、制备周期短的碳/碳-碳化硅陶瓷复合材料。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种碳/碳-碳化硅陶瓷复合材料的制备方法：制备步骤包括：

（1）将PAN（聚丙烯腈）基平板碳毡作为增强体，采用等温CVD（化学气相沉积）工艺制备碳涂层，以丙烯为热解碳气源，氮气为稀释气体，沉积温度为800~1200℃，沉积时间为10~150min，得到表面具有碳涂层的PAN基平板碳毡；

（2）选用酚醛树脂中加入丙酮、甲醇或乙醇，重量比为3~18:1:1（即酚醛树脂:丙酮: 甲醇或乙醇=（3:1:1）~（9:0.5:0.5）），再添加碳化硅微粉混合制作成浆料，其中酚醛树脂和碳化硅微粉重量比为1~27:3（即酚醛树脂: 碳化硅微粉=（1:3）~（9:1））；

（3）将步骤（1）所得的碳毡浸入步骤（2）所得的浆料中，然后放入真空压力罐中浸渍，真空压力罐中的真空度为-0.08~-0.10Mpa、压力为0.1~3.0MPa，保压时间为15~240min得到预制碳毡；

（4）将步骤（3）所得的预浸碳毡在0.1~20MPa的压力下压实（压实会挤出部分树脂）；

（5）将步骤（4）所得的压实的预浸碳毡在温度为100~200℃、保温时间为2~20小时的条件下固化；

（6）将步骤（5）固化后的碳毡在真空或惰性气体环境中，以80~100℃/小时的升温速率加热到800~1200℃，保温30~240min进行碳化处理，得到碳/碳多孔预制体；

（7）将步骤（6）所得的预制体放在硅粉中，预制体和硅粉重量比为1:0.9~1.3（即预制体和硅粉重量比=（1:0.9）~（1:1.3）），在真空或惰性气体保护下、以200~300℃/小时的升温速率加热到1450~1800℃，保温30~240min，完成烧结；

（8）将步骤（7）烧结后的坯体放入温度为350~550℃的熔融烧碱中处理，处理时间为10~90min，去除制品表面残留硅，即得到本发明的碳/碳-碳化硅陶瓷复合材料。

本发明上述步骤（1）中的PAN（聚丙烯腈）基平板碳毡为密度为0.05~0.50克/厘米³的市售常规产品。

本发明上述步骤（1）中表面具有碳涂层的碳毡的碳涂层厚度为20nm~300nm。

本发明上述步骤（2）中碳化硅微粉的粒径为0.1~10微米。

本发明上述步骤（3）中的浸渍为一次浸渍。

本发明的优点和有益效果：