CN103951454A - 一种SiC晶须增强的陶瓷基复合材料 - Google Patents

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陈照峰
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Abstract

本发明公开了一种SiC晶须增强的陶瓷基复合材料，包括陶瓷基体、无机纤维和SiC晶须，其特征在于SiC晶须弥散分布在纤维间，作为第二相有效增强纤维交界处的陶瓷脆性无效区。本发明利用物理方法使纤维束或丝间附着细小的SiC晶须，具体采用的方式有两种：一是利用有机溶剂将SiC晶须制成泥浆，使纤维浸渍穿过晶须泥浆后编织成预成型体；二是先将纤维编织成预成型体，然后密实涂刷SiC晶须泥浆。本发明利用化学气相渗透法(CVI)在附有SiC晶须的纤维间生长陶瓷基体，不破坏晶须的形貌和力学性能，使复合材料的断裂韧性得到很大提高，并且材料的断裂韧性和抗弯强度随着材料的相对密度而增加。

Description

一种SiC晶须增强的陶瓷基复合材料
技术领域
本发明涉及复合材料领域，特别是涉及一种SiC晶须增强的陶瓷基复合材料。
背景技术
陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异特性，但存在脆性大、易断裂的缺点，而限制了其实际应用范围，因此改善陶瓷材料的脆性、增大强度、提高其在实际应用中的可靠性成为其能否广泛应用的关键。陶瓷材料的韧性可以通过晶须、纤维增韧，颗粒弥散增韧和相变增韧等机理增强。晶须增韧陶瓷基复合材料被认为是能解决高温应用的有效措施，目前该材料已商业化并应用于切削刀具、耐磨零件、宇航和军用器件等。
SiC晶须有“晶须之王”的美称，是一种直径为纳米级至微米级的具有高度取向性的单晶纤维，晶体结构与金刚石相类似，晶体内化学杂质少，无晶粒边界，晶体结构缺陷少，结晶相成分均一，具有高熔点(＞2700℃)、低密度(3.21g/cm3)、高强度(抗拉强度为2100kg/cm2)、高弹性模量(弹性模量为4.9×104kg/cm2)、低热膨胀率以及耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化能力强等特性。作为一种优良的补强增韧剂，碳化硅晶须已经被用于增强多种陶瓷基复合材料。
在1992年发表在《硅酸盐学报》第20卷第5期的文献“SiC晶须增强陶瓷基复合材料的研究”中，上海硅酸盐研究所的黄政仁等用不同的A12O3粉料，采用SiC晶须补强以及加入第三相SiC粒子弥散增韧的方式，研究了SiC晶须A12O3基复合材料的力学性能。结果表明，应用SiC晶须补强使A12O3材料的力学性能有了明显的改进，强度和韧性较单相A12O3陶瓷有了成倍的提高。
公开(公告)号为102161594A的中国发明专利公开了一种SiC晶须强化的SiC陶瓷基复合材料及其制备方法。该复合材料由预制件通过Si或Si合金熔渗反应制备得到，所述的预制件由包括稻壳SiC晶须化产物的原料模压成型制得。该复合材料方法制备工艺简单，熔渗反应温度低，无需外加压力，预制件可制成复杂形状，可用于制备复杂形状的构件。所制备的SiC陶瓷基复合材料性能优良，SiC晶须对材料起到增强作用，可用于SiC反应烧结陶瓷材料制品的适用场合，如滑动轴承、耐腐蚀、耐磨损的管道、阀门、风机叶片和军、民用防弹衣等。
发明内容
传统的晶须增强陶瓷基复合材料使用烧结助剂来烧结，高温时低熔相的存在会破坏基体中的晶须，并且传统的烧结方法会形成强的晶须与基体界面，从而降低晶须的增韧效果。
本发明提供一种SiC晶须增强的陶瓷基复合材料，利用物理方法使纤维束或丝间附着细小的SiC晶须，在CVI法填充完陶瓷基体后，纤维间弥散分布的SiC晶须作为第二相有效增强纤维交界处的陶瓷脆性无效区，使材料的整体强度和韧性大幅度提高。本发明利用化学气相渗透法(CVI)在附有SiC晶须的纤维间生长陶瓷基体，不破坏晶须的形貌和力学性能，使复合材料的断裂韧性得到很大提高，并且材料的断裂韧性和抗弯强度随着材料的相对密度而增加。
为了最大程度上发挥复合材料的各项协同作用，同时易于成型，本陶瓷基复合材料中的无机纤维是碳纤维或碳化硅纤维，体积分数为10%～40%；SiC晶须的长径比控制在15～30，体积含量为5～30%；陶瓷基体可以是碳化硅，也可以是氮化硅，在工艺的最后阶段利用化学气相渗透法制备得到。
本发明利用物理方法使纤维束或丝间附着细小的SiC晶须，具体采用的方式有两种：一是利用有机溶剂将SiC晶须制成泥浆，使纤维浸渍穿过晶须泥浆后编织成预成型体；二是先将纤维编织成预成型体，然后密实涂刷SiC晶须泥浆。无论选择那种方式掺杂晶须，在晶须泥浆中均添加3%～7%的酚醛树脂作为粘结剂，使SiC晶须紧密附着在纤维束或丝之间。
在本发明中，还可以采用热处理或涂层的方法来调整晶须与基体之间的界面结合力，如在沉积陶瓷基体之前，控制有关条件，使晶须表面渗透生长一定厚度的高碳层，从而达到提高晶须－基体界面韧性的作用。
本发明的主要优点是：①利用SiC晶须增强复合材料纤维交界处的陶瓷脆性无效区，使材料的整体强度和韧性大幅度提高；②利用物理方法掺杂SiC晶须，不破坏晶须的形貌和力学性能，使得复合材料的断裂韧性得到很大提高；③利用CVI技术，在低压、低温下制备复合材料，材料内部残余应力小，纤维和晶须受损伤小，最大程度上保持了各基体材料的优异性能；④陶瓷基体和增强纤维有多种选择，可以实现成分设计和制备出形状复杂的高性能部件。
附图说明
图1为陶瓷基复合材料纤维交界处无效区示意图。
图示10为C或SiC纤维；20为纤维交界处陶瓷脆性无效区；30为纤维增强陶瓷基体。
图2为附着有SiC晶须的纤维示意图。
图示21为SiC晶须；22为C或SiC纤维。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
将适量SiC晶须用有机溶剂均匀分散开，加入3%的酚醛树脂制成SiC晶须浆料，然后使待编织的碳纤维多次浸渍穿过该晶须泥浆，待纤维束或丝间密实附着SiC晶须后烘干编织成型。接着，将成型的编织体放入CVI炉中，通过CVI法使SiC陶瓷基体在附着有SiC晶须的碳纤维间生长并致密化，随着CVI步骤不断地重复，材料中大孔隙尺寸不断被SiC陶瓷基体填充而减小，孔径分布趋于均匀，最终得到连续碳纤维和SiC晶须联合增强的陶瓷基复合材料。
实施例2
将适量SiC晶须用有机溶剂均匀分散开，加入5%的酚醛树脂制成SiC晶须浆料，然后将碳化硅纤维编织件完全浸渍其中10～24h，取出后并重复密实涂刷该浆料，待纤维束或丝间密实附着SiC晶须后烘干。接着，将编织件放入CVI炉中，通过CVI法制备氮化硅陶瓷基体，随着CVI步骤不断地重复，材料中大孔隙尺寸不断被SiC陶瓷基体填充而减小，孔径分布趋于均匀，最终得到连续碳化硅纤维和SiC晶须联合增强的陶瓷基复合材料。
上述仅为本发明两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种SiC晶须增强的陶瓷基复合材料，包括陶瓷基体、无机纤维和SiC晶须，其特征在于SiC晶须弥散分布在纤维间，作为第二相有效增强纤维交界处的陶瓷脆性无效区。
2.据权利要求1所述的陶瓷基复合材料，其特征在于所述的陶瓷基体可以是碳化硅，也可以是氮化硅，在工艺的最后阶段利用化学气相渗透法制备得到。
3.据权利要求1所述的陶瓷基复合材料，其特征在于所述的无机纤维是碳纤维或碳化硅纤维，体积分数为10%～40%。
4.据权利要求1所述的陶瓷基复合材料，其特征在于所述的SiC晶须弥散附着在纤维束或丝间，长径比控制在15～30，体积含量为5～30%。
5.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料，其特征在于利用物理方法使纤维束或丝间附着细小的SiC晶须，具体采用的方式有两种：一是利用有机溶剂将SiC晶须制成泥浆，使纤维浸渍穿过晶须泥浆后编织成预成型体；二是先将纤维编织成预成型体，然后密实涂刷SiC晶须泥浆。
6.根据权利要求5所述的陶瓷基复合材料，其特征在于在SiC晶须泥浆中添加3%～7%的酚醛树脂作为粘结剂。
7.根据权利要求5所述的陶瓷基复合材料，其特征在于可以采用热处理或涂层的方法来调整晶须与基体的界面结合力。
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