[发明专利]一种低成本高强度的碳纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种低成本高强度的碳纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法。其技术方案是：将酚醛树脂、乙二醇及固化剂按照质量比为(10‑15):(11‑16):(1‑2)混合并搅拌均匀制得前驱体溶液。将前驱体溶液浸渍到带界面层的碳纤维预制体中，在120‑250℃温度区间固化随后以每分钟5‑10℃速率升温至1000℃并进行多段保温，得到低密度多孔碳/碳复合材料。在1450‑1650℃温度下渗硅，并保温1‑4小时，得到碳纤维增强碳化硅复合材料。本发明通过添加乙二醇和固化剂制得基体碳为珠链网状多孔结构的碳/碳预制体，该结构有利于液态硅的渗透与分散，不易造成熔渗通道阻塞。制得碳纤维增强碳化硅复合材料具有成本低、耐高温、强度高等优点。

技术领域

本发明涉及C/C-SiC复合材料制备技术领域，具体涉及一种低成本高强度的碳纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。

背景技术

飞行器在长时间的临近空间高速飞行和再入过程中，面临的热环境非常恶劣，在气动加热作用下飞行器表面温度非常高，因此对飞行器的热防护结构和材料提出了严峻挑战。碳纤维增强碳化硅复合材料具有耐高温、高强度、耐冲刷等一系列优点，从而成为飞行器热防护系统中最主要的防热材之一。与此同时，高成本与较长的制备周期制约着碳纤维增强碳化硅复合材料在飞行器上的使用与更换。碳纤维增强碳化硅复合材料的主要制备技术包括：化学气相沉积(CVI)、前驱体浸渍裂解(PIP)、反应熔体浸渗(RMI)和料浆浸渗(SI)等。其中反应熔体浸渗(RMI)工艺具有成本低、制备周期短及近净成形等优点，但由于传统RMI工艺反应过程中会造成纤维的刻蚀、基体碳反应不完全以及熔渗金属的残留，所制得陶瓷基复合材料的高温力学性能与抗氧化、抗烧蚀性能差。文献“Kumar S,Kumar A,SampathK,et al.Fabrication and erosion studies of C–SiC composite Jet Vanes in solidrocket motor exhaust[J].Journal of the European Ceramic Society,2011,31(13):2425-2431.”中指出减少残余硅和未反应碳的含量可进一步减小碳纤维增强碳化硅燃气舵在高温有氧环境下的侵蚀；文献Magnant,Laurence Maillé,René Pailler,etal.Carbon fiber/reaction-bonded carbide matrix for composite materials–Manufacture and characterization[J].Journal of the European Ceramic Society,2012,32(16):4497-4505.”中指出预制体基体中多孔的碳干凝胶可有效避免渗硅过程中的通道阻塞；文献“Zhong Q,Zhang X,Dong S,et al.Reactive melt infiltrated Cf/SiCcomposites with robust matrix derived from novel engineered pyrolytic carbonstructure[J].Ceramics International,2017,43(7):5832-5836.”中指出通过熔渗预制体中基体碳孔结构的调节可以将碳纤维增强碳化硅拉伸性能提高46％。但是，通过直接向碳纤维增强多孔碳预制体渗硅很难得到致密的碳化硅基体从而制得高密度碳纤维增强碳化硅复合材料。

发明内容

本发明针对碳纤维增强陶瓷基复合材料RMI工艺中硅无法与基体碳反应完全及多孔碳基体无法转变为致密的碳化硅基体的问题，提供了一种低成本高强度的碳纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法，该方法生产成本低、制备周期短且能制备出力学性能优良的碳纤维增强碳化硅复合材料。该方法具体是以采用酚醛树脂、乙二醇及固化剂组成的前驱体溶液浸渍到碳纤维预制体中，经过固化、碳化后得到低密度多孔碳/碳复合材料。在适宜的温度条件下向碳/碳预制进行渗硅反应，得到高密度的碳纤维增强碳化硅复合材料。本发明利用酚醛树脂固化聚合反应过程中与有机溶剂的相分离形成三维网格结构，碳化后形成的多孔碳基体具有适宜的孔径大小与孔隙率，渗硅后可制得高密度高强度碳纤维增强陶瓷基复合材料。