[发明专利]一种陶瓷基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种陶瓷基复合材料及其制备方法和应用，陶瓷基复合材料包括以下质量分数的组分：碳纤维为20％～30％，CVD‑C为20％～40％，CVD‑SiC为10％～25％，PIP‑SiC为5％～25％，GSI‑SiC为5％～15％，TiC为5％～15％和残余Si小于3％。制备方法依次包括在碳纤维预制体上沉积C层、沉积SiC层、先驱体浸渍裂解制备SiC、浸渍沥青‑碳化、制备TiC和气相渗硅。本发明的陶瓷基复合材料具有摩擦磨损性能、力学性能和热学性能优异的优点，各组分含量可根据实际需求进行灵活设计与调整，满足了高性能制动和航空航天结构件领域对材料性能的要求。

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，涉及一种陶瓷基复合材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种含有多种陶瓷基体的低残余Si复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济技术的飞速发展，国内外近年来大量开展C/C-SiC复合材料的制备技术和应用研究。C/C-SiC陶瓷复合材料具有密度低、抗热震、耐磨、抗腐蚀、抗氧化、摩擦性能对外界环境介质(如霉菌、油污、潮湿等)不敏感和寿命长等优点。C/C-SiC陶瓷复合材料作为主要的防热材料，结合了碳纤维和碳化硅基本的优势，被广泛应用于航空、航天等领域。尤其在航空航天飞行器上需要承受极高温度、抗烧蚀、抗冲刷情况严重的特殊部位具有很大的潜力。同时，因为碳陶(C/C-SiC)制动材料具有优异的摩擦磨损性能，是近些年发展起来的一种新型制动材料，在高速列车、飞机等高能刹车领域具有广泛的应用前景。铁路作为重要的交通运输方法必须面临效率的挑战，提速是提高铁路运行效率的最优方法，因此高速列车时速300km/h以上已成为铁路发展的必然趋势。列车运行速度的提高对其安全性构成了重大的挑战，这就要求列车重要的安全系统性能必须随之大幅提高。列车的制动系统作为列车运行安全的重要保证，其性能也受到越来越多的重视，提高高速列车制动材料性能和减轻制动材料比重是进一步实现高速列车高速化和轻量化的必经之路。碳陶复合材料成为代替传统摩擦材料的研究热点。

SiC作为碳陶材料的主要基体成分，在材料中引入SiC，通常有化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)法、先驱体浸渍-裂解(Precursor infiltration andpyrolysis，PIP)法、液相渗硅法(Liquid silicon infiltration，LSI)或气相渗硅法(Gassilicon infiltration，GSI)。不同的制备方法在材料中引入SiC的方式不同，虽能在一定程度上提高材料的性能，但是，却都存在不同的缺陷，例如，CVD工艺制备的SiC摩擦系数偏低，PIP工艺制备的SiC与其它组分结合力弱，使用过程中SiC易脱落，LSI工艺或GSI工艺制备的SiC在摩擦过程中磨损较大。中国专利文献CN109372916A公开了一种陶瓷增强碳/碳复合材料制动盘的制备方法。制备过程是将碳纤维预制体放入沉积炉中，先采用化学气相渗透工艺沉积碳，再使用液相树脂或液相沥青进行浸渍-碳化工艺，得到碳/碳复合材料制动盘坯体，然后将该坯体进行液相渗硅处理，进行机械加工，最终得到陶瓷增强碳/碳复合材料制动盘。通过这种工艺制备得到的SiC类型单一，且晶粒较大，均为方棱形，磨损较大。中国专利文献CN106064951B公开了一种C/C-SiC复合材料及其制备方法，该方法首先在碳纤维预制体上引入基体碳，然后通过化学气相沉积SiC层，再使用气相渗硅烧结工艺(GSI工艺)使硅蒸汽与碳反应生成SiC(以下称GSI-SiC)。但是该专利文献中，气相沉积产生的SiC(简称CVD-SiC)层覆盖住了基体碳，因为CVD-SiC层非常致密，气态硅不能和基体碳接触，所以碳硅反应的碳源很少，反应条件差，导致碳硅反应生成的GSI-SiC含量少，不利于材料摩擦磨损性能提升。碳陶材料中碳硅反应碳源的引入，常见方法有沥青浸渍碳化、树脂浸渍-固化-热解和化学气相沉积等。专利CN102617178A公开了一种C/SiC复合材料的制备方法，该方法主要包括以下步骤：沉积SiC层，浸渍沥青和碳化，气相渗硅。由于SiC和碳纤维理化性质差异较大，该专利文献利用SiC层直接保护碳纤维，会导致两组分之间界面性能差，对材料机械性能造成不利影响。