[发明专利]一种复杂结构碳纤维-SiC晶须增强的SiSiC复合材料及制备方法

说明书

本发明属于反应烧结碳化硅制备领域，更具体地，涉及一种复杂结构碳纤维‑SiC晶须增强的SiSiC复合材料及制备方法，制备方法包括：包括如下步骤：(a)将碳化硅、短切碳纤维、热塑性酚醛树脂充分混合后得到SiC‑C_f混合粉体；(b)将SiC‑C_f混合粉体进行3D打印成形，得到SiC‑C_f生坯；(c)对SiC‑C_f生坯浸渗SiO₂‑C料浆，而后第一次热处理得到含SiC晶须的SiC_w‑SiC‑C_f坯体；(d)对SiC_w‑SiC‑C_f坯体浸渗聚碳硅烷有机溶液，然后第二次热处理得到第二坯体；(e)采用渗硅工艺对第二坯体进行致密化。本发明制备得到的碳纤维‑SiC晶须增强的SiSiC复合材料具有优异的力学性能，适用于高超声速飞行器热防护系统、航空发动机热端部件、高性能刹车片等高端装备领域，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于反应烧结碳化硅制备领域，更具体地，涉及一种复杂结构碳纤维-SiC晶须增强的SiSiC复合材料及制备方法。

背景技术

随着航空航天、汽车、空间光学等领域科技水平的快速发展，其核心部件，如高超声速飞行器热防护系统、航空发动机热端部件、高性能刹车系统和空间反射镜等对材料性能的要求愈发苛刻。SiC陶瓷基复合材料以其低密度、高热导、耐烧蚀冲刷和耐磨损等优异性能，有望在上述领域得到成功应用。然而，SiC陶瓷脆性大、裂纹敏感度高，其固有的难加工的特性制约了这种材料被成形为复杂结构零件，极大的限制了其应用范围。对于具有复杂结构的SiC陶瓷材料，传统的加工手段存在工艺复杂、造价高昂的问题。如采用模压或冷等静压得到素坯，再借助数控机床设备(CNC)将其加工成所需形状的成型工艺严重依赖CNC的加工能力，对于一些具有复杂拓扑优化结构(如带有夹层的蜂窝结构)的构件加工成本高昂，有时甚至难以达到设计要求。而采用包括注浆成型、凝胶注模成型以及近年较多采用的直接凝固成型等陶瓷湿法成型技术虽然可以用于制备复杂结构，但这些方法均需借助模具，对于小批量生产来说成本高，不适用于个性化定制。且陶瓷湿法成型技术均需先配制高固相含量、流动性良好的料浆，而实际料浆固相含量很难超过70wt％，因此坯体在后期的固化、脱脂及烧结阶段难以避免一定程度的收缩，样品的几何精度相对较低。

3D打印(增材制造)被列为提升国家竞争力、应对未来挑战亟需发展的先进制造技术，其中激光选区烧结(Selective Laser Sintering，SLS)和3DP打印成形等为代表的基于粉床的增材制造技术给快速高效成形大型复杂陶瓷复合材料带来了新的可能。作为3D打印技术中的分支，SLS和3DP等技术适合于快速制造具有复杂结构和特异形状的复合材料，能满足整体、分体等各种陶瓷部件的快速成形制造要求；且成形过程中不需要设置支撑结构，简化了成形部件的后处理工序，从而有望解决复杂结构SiC陶瓷基复合材料制备所面临的难题。近年来，采用3D打印成形SiC材料已有相关报道，如CN200510020015.5公开了一种激光烧结快速成形SiC陶瓷的制备方法，其采用激光烧结技术成形SiC预制体，然后熔渗金属硅并用碱液处理得到复杂形状SiC陶瓷，但是该方法所用的SiC粉末需要经由喷雾造粒来确保较好的流动性，使得该方法所需原料成本高，制备工艺繁琐。

对于SiC陶瓷基复合材料，一个主要的缺点是材料的韧性较差，这限制了由这类材料制备的零件的可靠性。碳纤维是一种重要的一维增强材料，用于传统陶瓷基复合材料力学性能的改善取得了巨大成功。但由于纤维对粉体铺粉性能的不利影响，较少地将其直接应用于基于粉床铺设的3D打印成型。另一方面，原位合成一维陶瓷增强相实现对材料的纤维/晶须/纳米线增韧的技术在多孔陶瓷和碳复合耐火材料等领域已有一些研究，但将这一技术与3D打印结合来制造纤维/晶须增韧的复杂形状SiC陶瓷尚未引起重视。

发明内容