CN102206090A - 一种碳/碳化硅复合材料的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种碳/碳化硅复合材料的制造方法，其包括如下步骤：(1)将碳纤维三维毡体或三维编织体进行表面处理后，依次进行二乙烯基苯改性的PMS真空浸渍、加压浸渍；(2)将浸渍有二乙烯基苯改性PMS的碳纤维三维毡体或三维编织体在真空条件下进行固化；(3)再依次进行1-3次真空浸渍、加压浸渍、真空固化循环处理；(4)将步骤(3)所得中间产物置于高温炉进行烧结；(5)再依次按照步骤(1)、(2)、(4)规定条件进行真空浸渍、加压浸渍、固化、烧结循环处理2~6次；(6)将经步骤(5)处理的产物进行机械加工。本发明制造的陶瓷基复合材料可用于制造航天飞行器和飞机发动机耐热部件、各种高速刹车片等。

Description

一种碳/碳化硅复合材料的制造方法

技术领域

C/SiC复合材料具有低密度（≤2.4 g/cm³）、高强度、高模量、耐高温、耐磨、抗腐蚀和使用寿命超长等优点。目前制备C/SiC复合材料的方法主要有化学气相渗透法、先驱体浸渍裂解法、熔硅浸渗法、气相渗硅法、热压-烧结法以及温压-原位反应法等。每种方法均有其各自的优点和缺点。而它们共同的缺点是制备周期长，制备成本高。其中先驱体浸渍裂解法是制备C/SiC复合材料最有前途的方法之一，使用该方法可以获得性能优良的复合材料，但由于复合过程一般需要经过10-20次浸渍-裂解循环，因而制备周期长，生产效率低，且选用的浸渍剂价格高，由此导致生产成本高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种生产周期短，生产效率高，生产成本低的C/SiC复合材料的制造方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：其包括如下步骤：

（1）将体积分数为20%~30%的碳纤维三维毡体或三维编织体进行表面处理后，置于真空/压力浸渍釜中，依次进行真空浸渍、加压浸渍，浸渍剂为二乙烯基苯改性的聚甲基硅烷（PMS），浸渍剂的用量为碳纤维重量的3~5倍，真空浸渍时间为0.5~1h，真空浸渍的真空度为0.0005~0.0015MPa；加压浸渍的时间为1~2h，所加压力为3~5MPa；所述表面处理的方法是：浸渍酚醛后，在700-1000℃，N₂中处理55~65min；

（2）将经过步骤（1）浸渍有二乙烯基苯改性PMS的碳纤维三维毡体或三维编织体置于固化炉中，在0.0003~0.0007MPa的真空条件下进行固化，固化温度为220~400℃，固化时间为2~3h；

（3）将步骤（2）固化的中间产物再按照步骤（1）、（2）规定条件依次进行1-3次真空浸渍、加压浸渍、真空固化循环处理；

（4）将步骤（3）所得中间产物置于高温炉中，在高纯氮气保护下进行烧结处理1.0~1.5h，烧结温度为1200~1600℃；

（5）将步骤（4）所得烧结产物再依次按照步骤（1）、（2）、（4）规定条件进行真空浸渍、加压浸渍、固化、烧结循环处理2~6次；

（6）将经步骤（5）处理的产物按设计尺寸要求进行机械加工，即获得碳/碳化硅复合材料。

本发明以二乙烯基苯改性PMS为浸渍液，可减少浸渍-烧结的循环次数，可以大幅度降低复合材料的制造周期和制造成本，经过4~6次浸渍-固化-烧结大循环，复合材料密度在1.8~2.2g/cm³，孔隙率10-12%，弯曲强度320-400 MPa，断裂韧性13-18 MPa·m^l/2，空气中1000℃处理1个小时，力学性能无变化。

整个制备过程可在120小时内完成，并可实现连续制备。

采用本发明方法制备C/SiC复合材料，生产周期短，生产效率高，生产成本低，所需设备简单。

按本发明制造的陶瓷基复合材料可广泛应用于航天飞行器的耐热部件、飞机发动机部件、各种高速刹车片等摩擦材料、核防护材料、滑动部件、化工、冶金行业的耐高温和耐腐蚀部件以及医用骨科材料等。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

参考例1：浸渍剂二乙烯基苯改性的聚甲基硅烷（PMS）制备

在500g液态PMS中加入100ml甲苯配制成溶液，加入2%的二乙烯基苯，回流1小时后，蒸出溶剂，得到二乙烯基苯改性PMS。产物常温下为液态，分子量为900，粘度为0.29 Pa·s。

实施例1

（1）将直径为60mm，厚度为10mm的短切碳纤维三维盘状毡体（碳纤维体积分数为23%）置于真空/压力浸渍釜中，使用参考例1制备的二乙烯基苯改性PMS浸渍剂，依次在真空条件（0.001MPa）下浸渍0.5h；在3MPa大气压的加压条件下浸渍1.5h；

（2）将步骤（1）浸满参考例1所得二乙烯基苯改性PMS的短切碳纤维三维盘状毡体置于固化炉中在真空条件（0.0005MPa）下固化2h，固化温度为290℃；

（3）再重复2次所述步骤（1）和步骤（2）的浸渍-固化处理；

（4）将步骤（3）经过三次浸渍-固化的中间产物置于高温炉中在高纯氮气保护下进行烧结处理1h，烧结温度为1530℃；

（5）将步骤（4）经过一次烧结的中间产物再依次按照步骤(1)、(2)、(4) 规定条件进行真空浸渍、加压浸渍、固化、烧结循环处理2次；

（6）将经步骤（5）处理的产物进行机械加工，即可获得圆盘状C/SiC复合材料。

所得复合材料的各性能参数列于表1中。

参考例2：浸渍剂二乙烯基苯改性的聚甲基硅烷（PMS）制备

将500g液态PMS中加入120ml甲苯配制成溶液，加入3%的二乙烯基苯，回流1小时后，蒸出溶剂，得到二乙烯基苯改性PMS。产物常温下为液态，分子量为1740，粘度为0.31 Pa·s。

实施例2

（1）将长度为180mm，直径为30mm，壁厚为10mm的管状碳纤维毡体（碳纤维体积分数为25%）置于真空/压力浸渍釜中，使用参考例2制备的二乙烯基苯改性PMS浸渍剂，依次在真空条件（0.001MPa）下浸渍1h，3.5MPa的加压条件下浸渍2h；

（2）将已浸满参考例2所得二乙烯基苯改性PMS的管状碳纤维毡体置于固化炉中在真空条件（0.0005MPa）下固化2.5h，固化温度为350℃；

（3）再重复2次步骤（1）和步骤（2）的浸渍-固化处理；

（4）将步骤（3）经过三次浸渍-固化小循环的中间产物置于高温炉中在高纯氮气保护下进行烧结处理1.5h，烧结温度为1480℃；

（5）将上述步骤（4）经过一次烧结的中间产物再依次进行真空浸渍、加压浸渍，真空浸渍、加压浸渍、固化、烧结循环处理4次；

（6）将经步骤（5）处理的产物进行机械加工，即获得管状C/SiC复合材料。

所得复合材料的各性能参数列于表1中。

参考例3：浸渍剂二乙烯基苯改性的聚甲基硅烷（PMS）制备

将500g液态PMS中加入100ml甲苯配制成溶液，加入1.5%的二乙烯基苯，回流1小时后，蒸出溶剂，得到二乙烯基苯改性PMS。产物常温下为液态，分子量为780，粘度为0.22 Pa·s。

实施例3

本实施例实施步骤如下：

（1）将长度和宽度均为90mm，厚度为5mm的碳纤维三维编织体（碳纤维体积分数为28%）置于真空/压力浸渍釜中，使用参考例3制备的二乙烯基苯改性PMS浸渍剂，依次在真空条件（0.001MPa）下浸渍1h、3PMa的加压条件下浸渍2h；

（2）将已经浸满参考例3所得二乙烯基苯改性PMS的碳纤维三维编织体置于固化炉中在真空下（0.0005MPa）固化3h，固化温度为390℃；

（3）再重复2次上述步骤（1）和步骤（2）的浸渍-固化处理；

（4）将上述步骤（3）经过三次浸渍和固化的中间产物置于高温炉中在高纯氮气保护下进行烧结处理1.5h，烧结温度为1430℃；

（5）将上述步骤（4）经过一次烧结的中间产物再依次按照步骤（1）、（2）、（4）条件进行真空浸渍、加压浸渍，固化、烧结循环处理6次；

（6）将经步骤（5）处理的产物进行机械加工，即获得板状的C/SiC复合材料。

所得复合材料的各性能参数列于表1中。

Claims (1)

1.一种碳/碳化硅复合材料的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将体积分数为20%                                                

30%的碳纤维三维毡体或三维编织体进行表面处理后，置于真空/压力浸渍釜中，依次进行真空浸渍、加压浸渍，浸渍剂为二乙烯基苯改性的聚甲基硅烷，浸渍剂的用量为碳纤维重量的3

5倍，真空浸渍时间为0.5

1h，真空浸渍的真空度为0.0005

0.0015MPa；加压浸渍的时间为1

2h，所加压力为3

5MPa；所述表面处理的方法是：浸渍酚醛后，在700-1000℃，N₂中处理55

65min；

（2）将经过步骤（1）浸渍有二乙烯基苯改性PMS的碳纤维三维毡体或三维编织体置于固化炉中，在0.0003

0.0007MPa的真空条件下进行固化，固化温度为220

400℃，固化时间为2~3h；

（3）将步骤（2）固化的中间产物再按照步骤（1）、（2）规定条件依次进行1-3次真空浸渍、加压浸渍、真空固化循环处理；

（4）将步骤（3）所得中间产物置于高温炉中，在高纯氮气保护下进行烧结处理1.0

1.5h，烧结温度为12001600℃；

（5）将步骤（4）所得烧结产物再依次按照步骤（1）、（2）、（4）规定条件进行真空浸渍、加压浸渍、固化、烧结循环处理2

6次；

（6）将经步骤（5）处理的产物按设计尺寸要求进行机械加工，即获得碳/碳化硅复合材料。