[发明专利]用碳化物基质制备复合材料的方法

说明书

背景技术

本发明涉及一种用存在连续碳化物相的基质来对多孔基材进行致密化的方法。本发明特别应用于但不仅限于从由用陶瓷基质(至少部分地)致密化的耐火纤维加强件(碳或陶瓷纤维)形成的陶瓷基质复合(CMC)材料制备的部件。CMC的例子有：C/SiC复合材料(碳纤维加强件和碳化硅基质)、C/C-SiC复合材料(碳纤维加强件和包含碳相(一般离纤维较近)和碳化硅相的基质)，和SiC/SiC复合材料(加强纤维和基质均由碳化硅制成)。

存在大量用于对多孔基材进行致密化，使得在基材中形成至少部分碳化物基质的技术。这些技术具体包括：

a)化学气相渗透(CVI)，其包括将含有形成所述材料的所有元素的气体混合物渗透进多孔预成形件中以将其致密化。CVI在一段时间内以恒定速率沉积材料。这是一种给予材料良好性能的方法。然而，为了获得均匀的碳化物基质，同时避免在预成形件周围过早堵塞，必须在低压下和相对低的温度(≤1100℃)下工作，以降低增长速率。当采用此技术时，导致了部件长的制造时间，从而使得该方法昂贵。有时必须进行加工以重新打开外周的孔并允许气体通过中心。

b)液体技术，其包括用液体组合物浸渍多孔预成形件，所述液体组合物包含基质的碳化物材料的有机前体，还可包含填料。所述有机前体通常是聚合物形式，例如树脂，其可在溶剂中稀释。去除溶剂(如果存在)并交联所述聚合物后，所述前体通过热处理转变成耐火相。所述热处理包括热解所述有机前体以根据使用的前体和热解条件将有机基质转变成陶瓷基质。然而，所述材料一般存在在热解过程中材料收缩所导致的残留多孔。

c)液体金属技术(反应性熔体渗透(RMI)、熔体渗透(MI)、液体硅渗透(LSI)……)，其包括将熔融金属(例如高温(>1400℃)下的硅)引入到多孔预成形件中，所述多孔预成形件一般含有粉末或多孔材料(例如含有或不含有SiC的C)，所述粉末或多孔材料与金属反应以形成最终基质材料。不与预成形件中存在的粉末反应的金属的一部分导致了在最终基质中存在残留游离金属(例如游离硅)，这些游离金属可导致在材料中的氧化从而降低了纤维的性质。所谓的“抑制(choking-off)”效应也会阻止某些孔被填充。

d)陶瓷或陶瓷粉浆技术，其包括用粉浆(亚微米级的陶瓷颗粒、烧结添加剂和水的混合物)浸渍纤维预成形件，随后干燥并在压力下在1600-1800℃下烧结所述浸渍的预成形件，如在欧洲专利第0675091号中特别描述的。然而，该方法仅可用于单一方向的CMC材料，尤其因为烧结过程中基质的收缩，此外所述添加剂对材料的最终性质也有损害。

Vincent等的文章(H.Vincent、J.L.Ponthenier、L.Porte、C.Vincent和J.Bouix等的名为《实验环境对用RCVD在多孔碳基材渗透上的SiC沉积的影响(InfluencedesconditionsexperimentalesdudepotdeSiCparRCVDsurl'infiltrationdesubstratsdecarboneporeux)》，稀有金属学报(JournaloftheLessCommonMetals)，157(1990),1-13)描述了用于用SiC渗透多孔固体石墨基材或由非团聚或压缩的粉末制得的基材的反应性化学气相沉积(RCVD)。当使用粉末时，目的不是为了固结而是改性颗粒表面以保护它们防止氧化。在Bouix等的文章(J.Bouix、J.C.Viala、H.Vincent、C.Vincent、J.L.Ponthenier和J.Dazord的名为《用碳化物涂覆碳纤维的方法(Processforcoatingcarbonfiberswithacarbide)》，美国专利第4921725(A)号，1990年5月1日)中，RCVD也被用于用保护性的碳化物层涂覆碳纤维，但没有因此使得预成形件致密化。