[发明专利]溶胶-凝胶结合反应熔体渗透快速制备大厚度连续纤维增韧SiC基复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种溶胶‑凝胶结合反应熔体渗透快速制备大厚度连续纤维增韧SiC基复合材料的方法，将间苯二酚‑甲醛淡黄色透明溶胶通过真空浸渍的方法，引入到多孔大厚度CMC‑SiC中，然后将溶胶和CMC‑SiC转移至水热反应釜内凝胶，随后将含有间苯二酚‑甲醛凝胶的多孔大厚度CMC‑SiC在管式炉内裂解，采用RMI法完成连续纤维增韧SiC基复合材料的致密化。该方法快速制备的大厚度连续纤维增韧SiC基复合材料(CMC‑SiC)具有高致密度，高力学性能和均匀基体相结构和成分，解决了目前RMI工艺方法中制备大厚度连续纤维增韧SiC基复合材料(CMC‑SiC)周期较长，致密度低，沿厚度方向组分和结构不均匀，残余硅或碳含量高的问题。

技术领域

本发明属于复合材料制备方法技术领域，涉及一种溶胶-凝胶(Sol-gel)结合反应熔体渗透(RMI)快速制备大厚度连续纤维增韧SiC基复合材料(CMC-SiC)的方法。

背景技术

对于高温腐蚀性环境(燃气，空气)以及复杂应力条件下工作的航空航天热端结构部件，要求材料耐高温并且具有高致密化程度。高致密材料一般具有高的基体开裂应力，同时表面氧化生成的致密氧化层能够有效阻止氧气向材料内部扩散，满足材料长时服役要求。

连续纤维增韧SiC基复合材料(CMC-SiC)具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高比强度、高比模量、高韧性、抗蠕变等诸多优点，能较好地满足航空航天热端结构部件严苛工作环境要求。目前，CMC-SiC在薄壁简单形状构件上的应用研究已较为广泛且成熟。然而，CMC-SiC在厚壁复杂形状构件上的应用研究较少，这主要受限制于目前的制备工艺难以实现复材沿厚度方向组分和结构的均匀性。亟待发展适用于厚壁件的致密、结构和组分均匀、性能优良的CMC-SiC新型制备方法。

CMC-SiC的制备方法包括CVI(化学气相渗透)、PIP(先驱体浸渍裂解)、MI(熔体浸渗)、RMI(反应熔体浸渗)和组合工艺。CVI工艺存在“瓶颈”效应，难以实现沿厚度方向的组分均匀性。PIP工艺制备的复合材料存在较大的开气孔率(10％～15％)，高温腐蚀性环境下易失效。此外，较大的体积应力不适用复杂形状构件的成型；MI工艺制备的复合材料存在大量残余硅(～13％)，高温抗蠕变性能差，当温度超过Si熔点时性能急剧下降。此外浆料浸渍过程中，沿厚度方向硬质颗粒梯度分布，材料组分均匀性差；RMI工艺具有周期短、复合材料致密度高，易制备大尺寸复杂形状构件等优点，是快速制备高致密CMC-SiC的首选方法。RMI过程中可能存在Si熔体对界面和纤维的侵蚀问题，一般采用CVI法在界面表面沉积一定厚度的保护层以隔绝Si熔体对界面和纤维的腐蚀。由此可见，通过CVI结合RMI的组合工艺有望获得致密、性能良好的CMC-SiC。

虽然通过CVI工艺可以在界面表面沉积一定厚度的SiC，但由于“瓶颈”效应，CVISiC主要起到保护作用，RMI工艺制备的基体相是影响最终CMC-SiC的性能的关键因素。要制备致密，组分和结构均匀的基体相，首先要获得一个多孔的含碳中间体，目前含碳中间体的制备工艺主要包括PIP、CVI和Sol-gel。PIP制备的树脂碳呈块状，渗硅孔隙通道多为树脂裂解时产生的裂纹，难以满足组分均匀的要求；CVI PyC为包覆结构，渗硅后物相出现分层，不满足结构均匀性的要求；Sol-gel制备的碳材料为多孔碳并能有效分割大孔隙，形成有利于渗硅的通道，能较好的满足RMI工艺的要求。

专利“董绍明,陈小武,阚艳梅,等.一种C_f/SiC-ZrC-ZrB₂超高温陶瓷基复合材料的制备方法[P].上海：CN106747477A,2017-05-31.”采用硼酸、聚乙烯醇、甘油和水混合120℃油浴4～8h配置成溶胶，将溶胶引入到碳纤维预制体内凝胶18～24h后裂解，随后重复浸渍裂解8～16次，在采用碳热还原结合反应熔体浸渗法获得了C_f/SiC-ZrC-ZrB₂超高温陶瓷基复合材料。