[发明专利]一种碳纤维增强SiYOC复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维增强SiYOC复合材料及其制备方法，以三维碳纤维预制件为增强体，采用钇改性的硅树脂为先驱体，通过反复浸渍‑固化‑裂解获得C/SiYOC复合材料，该过程中以碳纤维预制件(三维编织物、毡体等)为骨架，在真空条件下浸渍Y改性的硅树脂先驱体，经热处理后使其交联固化，再进行高温裂解使先驱体转化为SiYOC陶瓷基体，经反复浸渍‑固化‑裂解后当本周期样品质量较上周期结束时样品质量增重不超过1％时得到C/SiYOC复合材料。本发明具有成本低廉、耐高温性能好且对设备要求低等优点，能有效提高C/SiOC复合材料的耐高温性能。

技术领域

本发明属于耐高温陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维增强SiYOC复合材料及其制备方法。

背景技术

航天航空领域的迅猛发展对高温结构材料提出了低成本化、长寿命化、超高温化的紧迫需求。碳纤维增强陶瓷基复合材料具有耐高温、高比强度、耐腐蚀等优异特性，广泛应用于航天航空飞行器表面热防护系统和推进系统。碳纤维增强聚硅氧烷(PSO)转化SiOC(C/SiOC)复合材料因兼具短流程和低成本等优点，成为极具应用前景的轻质耐高温结构材料。

然而由于SiOC陶瓷基体具有亚稳的三元结构，高温下会发生分相和碳热还原反应，导致结构失稳和性能下降，限制了C/SiOC复合材料的耐高温能力。对PSO转化SiOC陶瓷基体的结构进行改性可以提高其热稳定性，其中，向PSO分子中引入异质元素M，既能充分发挥PSO的特点和优势，又能在分子级甚至原子级水平上均匀调控SiOC陶瓷基体的精细结构，而且对先驱体浸渍裂解法制备C/SiOC复合材料的适用性强，可以提升C/SiOC复合材料的耐高温性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维增强SiYOC复合材料及其制备方法，即一种C/SiYOC复合材料及其制备方法，是一种方法简单、操作方便、成本低廉、耐高温性能好的碳纤维增强SiYOC复合材料的制备方法。钇具有原子半径大，Y-O键平均键程长的特点，且具有极强的亲氧能力易形成Y-O键，将其引入SiOC陶瓷中可形成Si-O-Y键增强其网络强度，高温下会形成熔点高且不会分相的Y₂SiO₅或Y₂Si₂O₇相，可以提高SiOC基体及C/SiOC复合材料的耐高温性能。

本发明所述的一种碳纤维增强SiYOC复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)浸渍：准备碳纤维预制件并置于压力小于500Pa的真空条件下，用Y改性的硅树脂先驱体溶液浸渍2-8h；所述的Y改性的硅树脂先驱体溶液为钇溶胶与硅树脂乙醇溶液的混合溶胶，钇溶胶是由Y(NO₃)₂·6H₂O溶于乙醇得到，Y(NO₃)₂·6H₂O的质量为硅树脂质量的10-50％，硅树脂乙醇溶液中硅树脂和乙醇的质量比为(2-5)：10；

2)固化：将上步骤浸渍后的碳纤维预制件保温后形成凝胶，再将凝胶后的预制件在150-250℃交联固化4-8h；

3)裂解：将上步骤交联固化后的碳纤维预制件在惰性气氛下进行高温裂解，高温裂解温度为1000-1200℃，裂解时间为30-120min；

重复以上浸渍-固化-裂解周期多次，直至本周期结束时样品重量较上周期结束时样品重量增重不超过1％，完成制备，得到碳纤维增强SiYOC复合材料。

本发明步骤1)所述的碳纤维预制件为2.5维编织物、平纹布叠层缝合预制件、三维针刺毡、三维四向编织物、三维五向编织物或三维六向编织物中的一种。

步骤1)所述的硅树脂是小分子量的甲基硅树脂(MK)，MK是一种溶解在甲苯中的甲基硅树脂，该树脂有很高的SiO₂含量，完全氧化后含有80％SiO₂，按照固体树脂含量计算。