[发明专利]一种SiC/Si-B-C-Zr陶瓷基复合材料的制备方法

说明书

本发明属于连续纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备技术，具体涉及一种SiC/Si‑B‑C‑Zr陶瓷基复合材料的制备方法。本发明采用的浸渍溶液为聚碳硅烷、硼化锆先驱体和二甲苯，三者之间溶解度较高，能够实现聚合物先驱体在溶液中分散均匀。本发明采用不同硼化锆先驱体重量百分比的聚合物先驱体浸渍溶液逐次进行真空浸渍和高温裂解，有利于制备元素组成梯度分布可控的陶瓷基体。本发明在原有基体中引入B、Zr元素，充分发挥Si‑B‑C‑Zr基体组分在不同温度范围氧化反应产物三氧化二硼、硼硅酸盐、二氧化锆等的协同抗氧化，同时利用Si‑B‑C‑Zr基体组分高熔点、抗烧蚀优异的特性，提高材料的高温抗氧化、抗烧蚀性能。

技术领域

本发明属于连续纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备技术，具体涉及一种SiC/Si-B-C-Zr陶瓷基复合材料的制备方法。

背景技术

随着空天飞行器飞行马赫数的逐渐提高，飞行器热防护构件服役时将承受强气动加热和强气动载荷冲击。严苛的服役环境对材料提出了较高的要求，如低密度，优异的抗烧蚀性能、抗氧化性能、力学性能和高温稳定性，低热膨胀系数。

目前飞行器热防护构件材料主要为碳纤维增强碳基复合材料(C/C复合材料)和碳纤维增强硅-硼-碳-锆陶瓷基复合材料(C/Si-B-C-Zr复合材料)。C/C复合材料由于纤维与基体均由碳元素组成，抗氧化性能较差。C/Si-B-C-Zr复合材料目前多采用浆料浸渍裂解工艺制备，该工艺制备周期短、成本较低，但难以保证浆料之间的均匀弥散分布，进而影响复合材料基体结构和组分的一致性，浆料在浸渍过程中阻力较大，存在渗透瓶颈问题，不利于制备均相致密的复合材料，同时该工艺中采用的碳纤维抗氧化性能较差，在氧化气氛中容易发生氧化分解反应，严重影响材料的高温稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种SiC/Si-B-C-Zr陶瓷基复合材料的制备方法。

本发明的技术解决方案是：

1.碳化硅纤维预制体的制备：以连续碳化硅纤维为原料，通过编织制备出碳化硅纤维预制体，烘箱中100～120℃烘干不少于1小时；

2.界面层的制备：在烘干后的碳化硅纤维预制体上沉积热解碳界面层，热解碳源为丙烷，沉积温度950～1050℃，沉积压力为1～3KPa之间，丙烷流量为1～3L/min，界面层厚度0.2～0.6μm；

3.聚合物先驱体浸渍溶液的配置：以聚碳硅烷和硼化锆先驱体为溶质，以二甲苯为溶剂，溶质占先驱体浸渍溶液重量百分比的40～60％，硼化锆先驱体占溶质重量百分比的10～50％，制备聚合物先驱体浸渍溶液Ⅰ；

4.碳化硅纤维预制体的定型：将碳化硅纤维预制体置入石墨模具内固定；

5.真空浸渍：将带石墨模具的碳化硅纤维预制体置于真空浸渍设备中，用真空泵对真空浸渍设备抽真空，真空浸渍设备内腔压力低于0.01MPa时，将聚合物先驱体浸渍溶液Ⅰ通过不锈钢管路引入真空浸渍设备内腔，最终石墨模具全部淹没于聚合物先驱体浸渍溶液Ⅰ，保压10小时以上；

6.热模压：将经过浸渍的石墨模具的碳化硅纤维预制体置于真空热压机中，升温速率5～10℃/min，模压温度200～220℃，模压压力1～4MPa，保压时间不低于30min；

7.高温裂解：将经过热模压的石墨模具的碳化硅纤维预制体放入高温裂解炉中，抽真空至小于2KPa，以120℃/h～300℃/h的升温速率从室温加热到1000～1300℃，保温0.5～1小时；

8.致密化：重复上述5和7步骤3～4循环后，纤维预制体从石墨模具脱模；

9.聚合物先驱体浸渍溶液的配置：以聚碳硅烷和硼化锆先驱体为溶质，以二甲苯为溶剂，溶质占先驱体浸渍溶液重量百分比的40～60％，硼化锆先驱体占溶质重量百分比的20～60％，制备聚合物先驱体浸渍溶液Ⅱ；