[发明专利]一种快速制备C/SiC陶瓷基复合材料的方法

说明书

技术领域：

本发明属于C/SiC陶瓷基复合材料制备的技术领域。特别涉及一种以低分子液态聚碳硅烷为先驱体，碳纤维预制件为骨架，采用脉冲式加热的化学液气相沉积工艺快速制备C/SiC陶瓷基复合材料的方法。

背景技术：

C/SiC陶瓷基复合材料具有低密度、高强度、高韧性、耐高温、抗热震、高耐磨、耐化学腐蚀、热膨胀系数低等优良特性，可作为高温结构材料、热防护材料、刹车材料而应用于航空航天、能源、交通等领域。如C/SiC喉衬、喷管和燃烧室，C/SiC热交换器，C/SiC刹车盘及刹车片等。

传统的C/SiC陶瓷基复合材料制备工艺主要是化学气相渗透(CVI)和先驱体浸渍裂解（PIP）。CVI工艺是将含Si的气态先驱体加热到一定温度并在碳纤维预制件中分解生成SiC基体，而PIP工艺则是通过将Si的有机高聚物溶液或熔融体浸渍碳纤维预制件，干燥固化后在惰性气氛保护下高温裂解，得到SiC基体。在CVI工艺过程中，由于预制件外部的气体浓度高，预制件外部的沉积速率大于其内部的沉积速率，容易导致预制件外部出现结壳的现象，需要对预制件表面多次加工将其外部孔隙打开以后才能继续进行沉积，这样将增加生产工序，延长制备周期和提高生产成本。而PIP工艺由于先驱体的裂解产率较低，通常需要反复浸渍——裂解10次以上才能实现致密化，其制备周期长达1个月以上，极大地增加了生产成本。

上述传统的制备C/SiC陶瓷基复合材料的方法受其工艺限制，难以在短时间内制备出成本低且性能好的C/SiC陶瓷基复合材料。近来，出现了一种化学液气相沉积/渗透（CLVD/CLVI）工艺制备碳基或陶瓷基复合材料的方法。化学液气相沉积工艺是将碳纤维预制件浸泡在盛有液态先驱体的沉积炉内，采用感应加热或者电阻加热的方式，使得液态先驱体气化、裂解生成陶瓷基体并沉积在预制件内部，由内到外完成致密化，从而得到碳基或陶瓷基复合材料。该工艺有效结合了PIP工艺的高效浸渍和CVI工艺的连续沉积的优点，只需要一次沉积便可完成预制件的致密化，因此，采用该工艺制备碳基或陶瓷基复合材料可极大地缩短制备周期，从而降低生产成本。但是，由于预制件内部温度梯度的存在，最终得到的材料从内到外会有一定的密度梯度，这将会影响复合材料的性能，从而限制该工艺的应用。为了获得密度分布均匀、性能更好的碳基或陶瓷基复合材料，研究人员对该工艺进行了改进。如Connors等（美国专利US 5981002）采用在圆柱形预制件的外侧缠绕保温材料（碳毡）的方法，以降低预制件内外侧的温度梯度，从而提高预制件外侧的密度。但是由于感应加热的焦耳效应，碳毡自身也会产生热量而在其内部沉积基体，从而阻碍先驱体进入预制件内部，使得预制件不能完全致密，且其内侧密度比外侧低。Wang Jiping等（Improvement of film boiling chemical vapor infiltration process for fabrication of large size C/C composite, Materials Letters, 2006, 60: 1269-1272）通过在圆盘状预制件的上部及下部各放置一个发热体的方式，来改变预制件内部的温度分布，使得沉积从预制件的上下两端向中间部分进行。但是，由于感应加热的集肤效应，沿发热体径向，外侧的温度要高于内侧的温度，因此，在靠近发热体外侧部分的预制件会优先发生沉积，进而阻碍预制件顶部及底部中心部分致密化的进行，导致在这些部位出现低密度区域。Deng Hailiang等（Densification behavior and microstructure of carbon/carbon composites prepared by chemical vapor infiltration from xylene at temperatures between 900 and 1250 ℃, Carbon, 2011, 49: 2561-2570）则采用主、副发热体的方式对圆盘状预制件加热，从而在预制件内部形成一个从下到上的温度梯度。但此法一方面会极大地减小预制件内部的温度梯度，使得沉积速率变慢，沉积效率降低；另一方面由于发热体上温度分布不均，使得预制件的底部中心及顶部边缘部分出现低密度区域。