[发明专利]一种高效制备连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种高效制备连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的方法，包括以下步骤：步骤一：树脂基体配置；步骤二：树脂基复合材料制备；步骤三：碳化；步骤四：原位熔渗反应。本发明中采用成熟、高效树脂基复合材料制备连续纤维增强富碳树脂基复合材料，效率高、成本低；本发明中采用原位裂解‑熔渗反应，通过过量裂解碳包覆单质硅粉，有效控制反应程度，降低了硅对连续纤维的损伤风险，大幅提高了连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的综合性能且保留传统熔渗法的高效、高致密的优势。本发明中采用成熟树脂基复合材料制备+原位熔渗反应的工艺，可大幅提升连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料制备效率。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料制备技术领域，具体涉及一种高效制备连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的方法。

背景技术

陶瓷基复合材料具有低密度、高比强度、高比刚度、高硬度、高耐磨性、使用温度高以及导热系数大、热膨胀系数小、抗氧化能力强、吸振性能好等优点，在航空航天、国民经济与国防建设等应用领域具有巨大潜力。连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法主要有：化学气相渗透反应法（CVI）、先驱体转化法（PIP）和反应熔渗法（RMI）。其中：

CVI法：通过将不同的参与气相反应的气体通入沉积室，在扩散作用或压力差产生的驱动力下，气体进入纤维预制体内部，进而分解生成碳化硅陶瓷基体并沉积于纤维预制体的纤维表面，最终获得连续纤维/碳化硅陶瓷基复合材料。该工艺反应温度低、纤维损伤较小、基体物质纯度较高，但是制备工艺较为复杂、周期长（往往需要数天）、成本高；制备的复合材料孔隙率高，力学性能中等，常用于次受力结构。

PIP法是利用液相先驱体（如聚碳硅烷熔体或溶液）浸渍纤维预制件，通过反复“浸渍-固化-裂解”等工艺制备致密的复合材料。该工艺优点在于制备温度较低、纤维损伤较小、基体结构和组分均匀，可制备大尺寸异型构件；缺点是单次循环陶瓷收率较低，制备周期较长（通常需要数月），制备复合材料孔隙率较高，力学性能一般，常用于次受力结构。

RMI是先使用CVI或PIP制备连续纤维增强多孔碳基复合材料，然后将连续纤维增强多孔碳基复合材料埋于过量硅粉中（硅用量为过量50~100%），在真空高温炉中，真空、1400℃以上，使熔融态Si在毛细管力作用下浸渗至多孔碳基复合材料中，Si边渗透边与碳反应生成碳化硅陶瓷基体。该工艺成本低、周期短、材料致密度高，但是制备温度较高（通常高于1400℃）且高温下Si易与连续纤维剧烈反应，大幅降低纤维增强效果且过量的单质硅也会严重影响复合材料的高温性能，故RMI产品力学性能较差，多用于耐烧蚀和刹车材料。

本发明采用原位反应熔渗法（S-RMI)高效制备制备连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。该法以硅粉为填料，将一定比例硅粉与高含碳的树脂混合，采用常规树脂基复合材料成型工艺，制备连续纤维增强含硅粉填料的树脂基复合材料；再将其复合材料在真空、800℃左右下碳化；最后在1300℃左右发生原位的Si/C熔渗反应制备连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。

创新点：

（1）与缓慢低效CVI法和多次重复“浸渍-固化-裂解”致密化PIP法相比，采用成熟树脂基复合材料制备和原位熔渗反应，可大幅提升连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料制备效率。

（2）采用超细硅粉，通过裂解碳与硅粉均与混合，可有效降低连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料制备温度，普通RMI制备温度在1400℃，S-RMI制备温度最低可降低至1100℃，可大幅降低制备成本和避免复合材料界面剧烈反应。

（3）S-RMI可方便控制陶瓷基体成分，通过适当控制裂解碳的量，可大幅降低纤维在高温下与硅反应而损伤风险，从而提高复合材料的综合性能。

发明内容

针对目前现有连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的CVI和PIP制备工艺制备周期长，效益低、成本高缺陷；也为了克服RMI制备工艺对增强纤维损伤大，陶瓷基复合材料力学性能劣化严重的不足，本发明提出了一种高效制备连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的方法即S-RMI。