[发明专利]一种制备多级多尺度纤维增韧陶瓷基复合材料的方法

说明书

本发明是一种制备多级多尺度纤维增韧陶瓷基复合材料的方法，该方法中，首先在纤维表面沉积界面层，并在带有界面层的纤维表面制备纳米增强体，得到多级多尺度纤维，同时配制混合溶液作为料浆，并通过湿法预浸料制备方法将料浆引入到多级多尺度纤维中得到预浸料；将预浸料裁剪、铺贴、热压成型得到预制体；将预制体高温炭化得到多孔体，最后采用硅粉包埋多孔体进行熔融渗硅，得到多级多尺度纤维增韧的陶瓷基复合材料；采用上述方法制备的多级多尺度纤维增韧陶瓷基复合材料的密度可达2.7g/cm³，孔隙率可控制在5％以内，弯曲强度及断裂韧性具有明显提高。

技术领域

本发明是一种制备多级多尺度纤维增韧陶瓷基复合材料的方法，属于纤维增韧陶瓷基复合材料的制备技术领域。

背景技术

陶瓷基复合材料是指在陶瓷基体中引入分散相形成增强体，陶瓷基体为连续相的复合材料，其具有好的耐温性能，密度低，其对裂纹不敏感，不会发生灾难性破坏，因此在发动机叶片、机闸、高/低压涡轮盘、火焰稳定器和排气喷管等发动机热端部件中具有重要的应用，有效地提高了发动机的工作效率。

连续纤维增强陶瓷基复合材料，在高温使用过程中由于基体中形成的孔洞和裂纹等缺陷，导致材料脆性大，损伤韧性不足，疲劳寿命短，难以满足下一代发动机材料疲劳性能的需求。因此现阶段有研究尝试采用纳米纤维多级增韧等技术途径，开发更耐高温、更高损伤容限的陶瓷基复合材料。

纳米纤维作为第二增强体引入到材料基体中，可通过裂纹偏转及桥连等增韧机制，多尺度提高增强相的增韧效果，提高陶瓷基复合材料的耐氧化性能、力学性能等。

近些年，国内外的相关研究机构在预浸料熔渗工艺制备单向增强体增韧的陶瓷基复合材料方面取得了重大进展，采用该工艺制备的陶瓷基复合材料及构件已达到较高的成熟度，美国GE公司采用该工艺制备的陶瓷基复合材料构件已通过应用级考核，因此开发预浸料熔渗工艺制备多级多尺度纤维增韧陶瓷基复合材料的工艺方法将具有重要的意义。

发明内容

本发明正是针对下一代发动机对于陶瓷基复合材料更高疲劳性能的需求，提出了一种预浸料熔渗工艺制备多级多尺度纤维增韧陶瓷基复合材料的方法，即在纤维上引入纳米级增强体制备出多级多尺度纤维，然后采用预浸料-熔渗工艺制备出多级多尺度纤维增韧的陶瓷基复合材料，开发出更耐高温、更高损伤容限的陶瓷基复合材料。

本发明的目的是通过以下技术途径来实现的：

该种制备多级多尺度纤维增韧陶瓷基复合材料的方法的步骤如下：

步骤一、先驱体料浆的制备

将碳化硅粉体、酚醛树脂、硅粉与乙醇按照1∶1～3∶1～3∶5～10质量比均匀混合，球磨后得到先驱体料浆，待用；

步骤二、在连续纤维织物表面制备界面层

界面层的类型为热解碳(PyC)、氮化硼(BN)或碳化硅(SiC)中的一种或几种的复合界面层；

步骤三、在连续纤维织物表面制备多级多尺度增强体

步骤四、多级多尺度纤维预浸料的制备

通过湿法预浸料制备工艺将步骤一中制备好的先驱体料浆引入到完成步骤三后的连续纤维织物中，得到多级多尺度纤维预浸料；

步骤五、多级多尺度纤维增韧预制体的制备

将步骤四中的多级多尺度纤维预浸料放置于热压成型模具中成型，热压成型温度为150～400℃，成型压力约为1～5MPa，保压时间约为1～5h，保压结束后得到多级多尺度纤维增韧预制体；

步骤六、多级多尺度纤维增强多孔体的制备

将步骤五得到的多级多尺度纤维增韧预制体放入高温炉中加热到1200℃，得到多级多尺度纤维增强多孔体；