[发明专利]一种C/C-SiC复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了C/C‑SiC复合材料及其制备方法和应用。C/C‑SiC复合材料为多层对称梯度结构，多层对称梯度结构从内层到外层依次为中间层和上下对称的第二层短切碳纤维增强碳化硅层、上下对称的第一层短切碳纤维增强碳化硅层，第一层短切碳纤维增强碳化硅层的碳纤维含量小于第二层短切碳纤维增强碳化硅层，所述中间层为90°和45°平纹碳纤维布交错叠加增强增韧夹层。采用短切纤维、碳纤维平纹布、酚醛树脂、工业硅粉为原材料通过模压、固化、碳化、融渗制备方法制备得到上述C/C‑SiC复合材料。本发明制备的产品具有致密度高，优异的力学、抗氧化、摩擦磨损性能以及抗疲劳性能，适用于高端产业如高速高能载交通运输工具等领域。

技术领域

本发明涉及C/C-SiC复合材料技术领域，更具体地，涉及一种C/C-SiC复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

C/C-SiC复合材料具有良好的抗氧化、耐腐蚀性能，优良的力学和热物理性能，是一种高温结构功能材料，一经问世便引起了航空航天材料领域学者的极大关注，目前已应用于返回式飞船的面板、小翼、升降副翼和机身舱门，航天飞机的热防护系统，太空反射镜等部件和产品。该材料同时具有密度小于2g/cm³，耐磨性好、热导率高、抗氧化性能好，摩擦性能高而稳定、耐腐蚀、不受天气变化的影响，1000℃左右温度下仍具有很高的摩擦系数和低磨损率，作为摩擦材料有着广泛的发展前途。20世纪90年代，德国斯图加特大学成功将C/C-SiC复合材料研制成刹车盘应用于Porsche轿车。美国橡树岭国家实验室研制的低成本C/SiC复合材料刹车片可替代铸铁和铸钢刹车片。法国TGV-N G高速列车和日本新干线已试用C/C-SiC闸瓦。国内已将C/C-SiC制动材料应用于磁悬浮列车滑橇以及直升机、坦克、高速列车、工程机械等制动器。

C/C-SiC复合材料的制备工艺有化学气相渗透法(CVI)和先驱体转化法(PIP)，但其生产周期长、制造成本高；后来发展了温压-原位反应法(WCISR)虽降低了制造成本，但其制备的材料致密度和力学性能均较低。目前熔融渗硅法是制备C/C-SiC复合材料的最佳方法，该方法可简单地描述为：将熔融的硅单质渗入C/C多孔体内，硅与碳反应生成SiC增强相，即可制得C/C-SiC复合材料。目前国内对熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料研究大多为化学气相渗透法-熔融渗硅法(CVI-RMI)，即以准三维碳纤维编织体作为预制体，化学气相渗透法沉积热解碳增密，再进行熔融渗硅制备，这类预制体的优点是结构规则，孔隙利于液体硅的浸渗，可以得到密度较高、力学性能好的复合材料。但是碳纤维编织体纤维含量高且编织工艺复杂，以及化学气相渗透沉积热解碳周期长，导致该方法成本较高；此外，在非浸泡式融渗硅的过程中，C/C多孔体平铺在硅粉上面，由于碳纤维编织体具有较致密的结构和较特殊的孔隙分布，当制备大尺寸制品时，在较大的厚度方向难以保证渗硅均匀性，导致材料成分和性能的不均匀，这些限制了其大规模工业化生产。后来相关领域研究人员发展了温压-熔融渗硅法(WC-RMI)，该工艺融合了温压-原位反应工艺的低成本与熔渗工艺制备材料的致密性及力学性能好的优点。但该工艺以短碳纤维和树脂为原料制备C/C多孔体，相比于碳纤维编织体作增强体，短碳纤维增强效果显著减弱，且由于碳纤维与树脂的润湿均匀性问题导致后期热处理过程中碳纤维未被树脂碳有效保护易被硅化损伤，以及粘结剂在裂解过程中产生质损使材料密度偏低，最终导致材料力学性能偏低，限制了其作为高性能结构材料应用于高端产业如高速列车领域。

发明内容

本发明解决的技术问题针对现有技术不足，提供一种高性能的C/C-SiC复合材料，所述C/C-SiC复合材料采用对称结构设计，该结构显著提高了材料的断裂应变，提高了抗冲击和抗应变能力，既保证了材料具有优异的力学性能，又显著降低了碳纤维含量，大幅度降低了产品成本。