[发明专利]喷雾造粒结合3DP和CVI制备碳化硅陶瓷基复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种喷雾造粒结合3DP和CVI制备碳化硅陶瓷基复合材料的方法，首先将SiC晶须与PVA等添加剂混合后用喷雾干燥制备SiC晶须球形颗粒；再与糊精混合后利用3DP法打印得到SiC晶须素坯，低温氧化脱脂得到SiC晶须预制体；利用CVI工艺在预制体内引入SiC基体，获得各向同性的SiC_W/SiC复合材料。本发明利用当前流行的3DP技术制备预制体，3DP技术适合制备复杂形状零件，方便快捷，摆脱模具，可节约预制体的研发成本，缩短预制体的研发周期；结合喷雾造粒法制备3DP技术的粉体，并利用CVI工艺将预制体致密化，便可获得新型多尺度结构、各向同性、高强韧化的复合材料。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料制备领域，涉及一种喷雾造粒结合3DP和CVI制备碳化硅陶瓷基复合材料的方法。

背景技术

陶瓷基复合材料(CMC)，特别是非氧化物陶瓷基复合材料(如碳化硅陶瓷基复合材料，SiC-CMC)具有耐高温、高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性好的优点，在航空航天领域有着广泛的应用前景。目前，SiC-CMC的增强体主要有颗粒、晶须、短切纤维和连续纤维，其中连续纤维的强韧化效果最好。但对于连续纤维增韧的陶瓷基复合材料(CFCCs)，其纤维预制体主要为二维(2D)铺层、二维半(2.5D)或三维(3D)编织结构，这导致CFCCs必然的具有各向异性，对于航空航天领域里一些需要承受高复杂应力的复杂形状构件来说，CFCCs的可靠性将明显降低。而采用力学性能优异的晶须作为增强体制备预制体，进而采用化学气相渗透法(CVI)、先驱体浸渍裂解法(PIP)或反应熔融渗透法(RMI)制备CMC，则此CMC将会是各向同性材料。陈乃齐等(Microstructure and properties of SiCw/SiC compositesprepared by gelcasting combined with precursor infiltration and pyrolysis.文献)(SiC_W即SiC晶须)采用了凝胶注模工艺结合PIP的方法制备了SiC晶须增强SiC复合材料(SiC_W/SiC)，当用此方法制备复杂构件时，需要繁杂的后续加工工艺或昂贵的成型模具。因此，迫切需要发展一种可制备复杂形状晶须预制体的方法及与之相匹配的基体致密化工艺，进而制备各向同性的CMC，从而降低CMC的制备成本，缩短研发周期。

三维打印技术(Three-Dimensional Printing,3DP)是目前应用广泛、发展成熟的一种增材制造技术，其原理为：喷头选择性的在粉末上喷洒粘结剂，逐层粘结成型，直至零件制备完毕。3DP的工作原理表明，任何可以制成粉末的材料都可以用于3DP技术，并且可以轻松制备复杂形状零件，因此，我们可以利用3DP技术制备晶须预制体。但同时我们知道，晶须的形貌为长棒状，流动性很差，因此把原始晶须直接用于3DP技术会导致3DP设备铺粉时铺的不均匀，这样得到的预制体内部缺陷大而多，甚至可能导致预制体失去各向同性。因此，需要发展一种与3DP相匹配的制粉技术，制备出流动性好的粉料用于3DP打印。

喷雾造粒法是一种简单实用的制粉技术，与其他造粒方法相比，喷雾造粒法制备的颗粒有着流动性好、粒径分布均匀和形态结构可控的优点。其原理为：陶瓷浆料经雾化器高速旋转喷出，被喷出的浆料为保证表面张力最小会呈球状液珠，球状液珠与热空气接触在极短时间内蒸发掉水分，干燥为固态颗粒。根据其原理，晶须经喷雾造粒后会成为球形的晶须团聚体，所以，喷雾造粒有望解决原始晶须因流动性差而不能满足3DP打印的问题。

根据3DP的工作原理，用3DP法将晶须球形颗粒打印成预制体，则预制体内的球形颗粒会以自然堆积的方式排列，这样预制体内的孔隙结构则为非均一的二级孔隙结构(粒内的小孔和粒间的大孔)，CVI工艺特别适合这种具有多级孔隙结构的预制体，而PIP工艺则适合具有均一孔隙结构的预制体，再者，3DP打印的预制体强度非常低，而RMI工艺则要求预制体有一定的强度，因此，CVI工艺相比PIP和RMI工艺更加适合3DP打印的预制体。

发明内容

要解决的技术问题