[发明专利]一种碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料及其制备方法，涉及陶瓷复合材料技术领域。本发明提供的复合材料包括硅硼碳氮陶瓷基体和复合在所述硅硼碳氮陶瓷基体中的碳纤维预制体；所述硅硼碳氮陶瓷基体掺杂有碳化硅粉末，所述碳纤维预制体的纤维表面沉积有碳化硅涂层。本发明通过碳化硅粉末对硅硼碳氮陶瓷基体进行掺杂，提高基体中硅元素的占比，使得外层基体在与氧气接触中可生成更厚、更稠密的二氧化硅保护层；通过在碳纤维表面沉积碳化硅涂层对暴露于氧气中的碳纤维进行保护，进而在高温环境下能够保持住材料的整体性能，有效提高材料的抗氧化性能和耐高温性能。因此，本发明提供的复合材料具有优异的抗氧化性和耐高温性能。

技术领域

本发明涉及陶瓷复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料具有较为良好的抗氧化和抗烧蚀性能，主要应用在超高音速飞行器的鼻翼端或者发动机的喷嘴端部。研究发现碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料除了自身具有较高的耐高温性能之外，在高温有氧环境下，基体材料的表面能够生成二氧化硅氧化物保护层，此时基体与氧气的接触方式，由原本与氧气之间的直接接触，转变成了氧气在二氧化硅隔离层中的气体扩散，由于氧气在熔融的二氧化硅层中的扩散速率较低，导致内部的复合材料与外部的氧气隔绝，降低了内部复合材料被进一步氧化的可能性。但是，硅硼碳氮基体中含有的硅元素较少，在高温氧化阶段若要生成较厚的二氧化硅层，就需要消耗较多的硅硼碳氮基体，此时就造成了材料的质量损失率和线性损失率较大，复合材料的抗氧化和高温抗烧蚀性能难以提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料及其制备方法，本发明提供的碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料具有优异的抗氧化性和耐高温性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料，包括硅硼碳氮陶瓷基体和复合在所述硅硼碳氮陶瓷基体中的碳纤维预制体；所述硅硼碳氮陶瓷基体掺杂有碳化硅粉末，所述碳纤维预制体的纤维表面沉积有碳化硅涂层。

优选地，所述碳化硅粉末的质量为碳化硅粉末与硅硼碳氮陶瓷基体总质量的10～20％。

优选地，所述碳纤维预制体为2D碳纤维预制体、2.5D碳纤维预制体或3D碳纤维预制体；

当所述碳纤维预制体为2D碳纤维预制体时，所述碳化硅粉末的粒径为75μm以下；当所述碳纤维预制体为2.5D碳纤维预制体或3D碳纤维预制体时，所述碳化硅粉末的粒径为38μm以下。

优选地，所述碳化硅涂层的厚度为100～500nm。

优选地，所述碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料的气孔率为5～8％，密度为1.9～2.0g/cm³。

本发明提供了以上技术方案所述碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

采用化学气相渗透法在碳纤维预制体的纤维表面镀上碳化硅涂层，得到沉积有碳化硅涂层的碳纤维预制体；

将碳化硅粉末球磨后，与聚硅硼碳氮烷浸渍液混合，得到掺杂有碳化硅粉末的浸渍液；

将所述沉积有碳化硅涂层的碳纤维预制体浸没于所述掺杂有碳化硅粉末的浸渍液中，依次进行加压浸渍、加热固化和热解陶瓷化，得到所述碳纤维强化硅硼碳氮基陶瓷复合材料；所述热解陶瓷化在无氧条件下进行。

优选地，所述加压浸渍的压力为1～3MPa，时间为2～4h。

优选地，所述加热固化的温度为170～250℃，时间为1～2.5h；压力为1～3MPa。

优选地，所述热解陶瓷化的温度为850～1100℃，时间为2～4h。