CN105399452B - 一种陶瓷基复合材料快速制备方法 - Google Patents

一种陶瓷基复合材料快速制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105399452B
CN105399452B CN201510724406.9A CN201510724406A CN105399452B CN 105399452 B CN105399452 B CN 105399452B CN 201510724406 A CN201510724406 A CN 201510724406A CN 105399452 B CN105399452 B CN 105399452B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sic
cvi
sibcn
composite
mts
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510724406.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105399452A (zh
Inventor
栾新刚
王建强
成来飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN201510724406.9A priority Critical patent/CN105399452B/zh
Publication of CN105399452A publication Critical patent/CN105399452A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105399452B publication Critical patent/CN105399452B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

本发明涉及一种陶瓷基复合材料快速制备方法，在室温对CVI后的C/SiC、SiC/SiC半成品复合材料的聚合物进行浸渍，并固化以实现对SiC基体中微裂纹的初步封填。在CVI工艺的升温过程中进行SiBCN先驱体的裂解，在基体沉积过程中完成SiBCN先驱体的增材裂解和陶瓷化，以抑制自愈合层收缩，并完成对SiC基体中微裂纹的最终封填，减少自愈合层和SiC基体中的孔洞和裂纹。本发明得到的陶瓷基复合材料内部空洞和裂纹被SiBCN填补，提高了材料致密性，同时提高了复合材料在高温水氧耦合环境下的使用寿命。

Description

一种陶瓷基复合材料快速制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷基复合材料快速制备领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料快速制备方法，是一种提高陶瓷基复合材料在高温水氧环境下使用寿命的方法。
背景技术
航空发动机热端环境就是一种典型的长时(数百上千小时)、热(700～1650℃)、力(疲劳、蠕变、复杂载荷)、氧化(氧、水、熔盐)耦合环境。长时热力氧化是氧化介质在一定温度和载荷作用下对陶瓷基复合材料(CMCs)的缓慢氧化过程。纤维和界面损伤的主导因素是热氧化，力是拉宽裂纹、促进氧化的因素。因此，保护纤维和界面层不受损伤首先要防止氧化性环境介质入侵，这是提高CMCs热力氧化寿命的关键。
为了实现长时自愈合，需要对CMCs的表面、界面和基体进行多元多层改性，即在每一个结构单元内，都层层设防，以实现对环境介质的就位多次自愈合阻挡，从而形成具有多元多层自愈合防御体系的陶瓷基复合材料(CMCs-MS)。但是，热力氧化的耦合环境却大幅增加了CMC-MS长时自愈合的难度。因为应力水平越高，裂纹越宽，越难及时封填；温度越高，生成的玻璃封填剂越不稳定，封填效果越差。另外，各结构单元中自愈合组元的引入，更增加了抗氧化性与强韧性的协同难度。因此，目前国际上SHCMC只能在中低温度(≤1200℃)和中等载荷(120MPa)条件以下实现长时自愈合。而更高温度(1200～1600℃)热力氧化耦合条件下迫切需要的自愈合陶瓷基复合材料尚在研制过程中。
SiBCN陶瓷不仅具有优异的超高温稳定性，而且其氧化产物体积膨胀高达200％、在1600℃仍具有稳定的无定型结构，是理想的自愈合组元；因此选用SiBCN做为自愈合组元改性C/SiC、SiC/SiC复合材料，制备可满足1400℃中等载荷条件使用的C、SiC纤维增韧SiC-SiBCN自愈合陶瓷复合材料(Cf/(SiC-SiBCN)n)、(SiCf/(SiC-SiBCN)n)。
自愈合陶瓷基复合材料的制备方法主要有化学气相沉积法(CVI)、熔融金属浸渍法(RMI)和聚合物浸渍裂解法(PIP)。
CVI法制备的自愈合陶瓷基复合材料具有制备温度低、基体完整性好、抗氧化性能好和强度高等优点，但其基体中存在的少量不可避免的微裂纹会影响其长时热力氧化寿命。这些微裂纹是源于纤维和基体的热膨胀系数失配，在复合材料第一次从基体沉积温度(约1000℃)冷却到室温过程中产生的，主要分布在纤维布编织孔周围。再次沉积基体时，微裂纹在制备温度下会闭合，再次冷却时会重新张开并穿过新沉积的基体，因此在不改变基体沉积工艺的情况下难以在CVI过程中自行消除。另外CVI法制备复合材料通常周期较长。RMI法制备的自愈合陶瓷基复合材料不仅具有基体完整性好、抗氧化性能好和强度高等优点，而且制备周期短，但是超高温自愈合组元通常熔点很高，制备过程对纤维的耐高温性能要求高，容易损伤纤维。另外，SiBCN自愈合组元尚无合适的RMI工艺可用。PIP法制备的自愈合陶瓷基复合材料具有工艺温度低、周期短等优点，但是复合材料基体完整性差，存在大量裂纹和孔洞，导致其强度和抗氧化性较差。
目前，聚合物转化陶瓷法(PDC)是在较低温度(1000℃左右)下获得超高温陶瓷的成熟方法，已成功制备了SiBCN。因此，基于PDC方法，利用聚合物浸渍热解(PIP)方法可在CMCs中引入超高温自愈合组元SiBCN。但是，传统的CVI结合PIP工艺不但会延长制备周期，而且自愈合层在CMCs的高温膨胀和聚合物裂解收缩双重作用下会产生孔洞和裂纹，难以保持完整性，既会影响自愈合效果，又会影响承载能力。PDC法制备过程中通常采用添加活性添加剂的方式，通过添加剂与本体的反应膨胀来抑制收缩，减少陶瓷的孔洞和裂纹。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种陶瓷基复合材料快速制备方法，是一种可以填补陶瓷基体空洞和裂纹，快速致密化基体，提高自愈合层完整性的方法：CVI结合聚合物浸渍-在线裂解(PI-OP)新工艺在CVI CMCs中引入SiBCN，获得(Cf/(SiC-SiBCN)n)、SiCf/(SiC-SiBCN)n复合材料。
技术方案
一种陶瓷基复合材料快速制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用聚合物聚硅硼氮烷PSNB或聚硼硅氮烷PBSZ在室温下对CVI工艺沉积过的C/SiC、SiC/SiC半成品复合材料进行浸渍，在120～250℃下固化2～5个小时，实现对SiC基体中微裂纹的初步封填；
步骤2：然后采用CVI工艺制备陶瓷基复合材料，使得在升温过程中进行SiBCN先驱体的裂解，在基体沉积过程中完成SiBCN先驱体的增材裂解和陶瓷化；
CVI法工艺条件为：以MTS作为先驱体，氢气作为载气和稀释气体，氩气作为保护气体；总气压为0.1～10kPa，沉积温度为800-1200℃，沉积时间为15～240h；所述MTS、氢气和氩气的比例为MTS:H2:Ar为1:5～25:5～20；所述MTS为CH3SiCl3。
在浸渍之前对CVI工艺沉积过的C/SiC、SiC/SiC半成品复合材料采用表面打磨，超声清洗后，干燥。
有益效果
本发明提出的一种陶瓷基复合材料快速制备方法，在室温对CVI后的C/SiC、SiC/SiC半成品复合材料的聚合物进行浸渍，并固化以实现对SiC基体中微裂纹的初步封填。在CVI工艺的升温过程中进行SiBCN先驱体的裂解，在基体沉积过程中完成SiBCN先驱体的增材裂解和陶瓷化，以抑制自愈合层收缩，并完成对SiC基体中微裂纹的最终封填，减少自愈合层和SiC基体中的孔洞和裂纹。
本发明得到的陶瓷基复合材料内部空洞和裂纹被SiBCN填补，提高了材料致密性，同时提高了复合材料在高温水氧耦合环境下的使用寿命。
附图说明
图1：4炉次复合材料内部空洞和裂缝的封填
图2：4炉次复合材料内部空洞和裂缝的封填
图3：6炉次复合材料内部空洞和裂缝的封填
图4：6炉次复合材料内部空洞和裂缝的封填
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例一
步骤一：用砂纸在室温下对使用CVI工艺沉积过4炉的C/SiC复合材料表面打磨，超声清洗后，干燥。
步骤二：对干燥后的试样，在室温下采用聚硅硼氮烷(PSNB)浸渍，封填材料内部的空洞和裂缝。完成浸渍后，在120～250℃下固化2～5个小时，实现对SiC基体中微裂纹的初步封填；
步骤三：把固化后的试样，放于CVI沉积炉内，使得在升温过程中进行SiBCN先驱体的裂解，在基体沉积过程中完成SiBCN先驱体的增材裂解和陶瓷化；
CVI法工艺条件为：以MTS作为先驱体，氢气作为载气和稀释气体，氩气作为保护气体；总气压为0.1～10kPa，沉积温度为800-1200℃，沉积时间为15～240h；所述MTS、氢气和氩气的比例为MTS:H2:Ar为1:5～25:5～20；所述MTS为CH3SiCl3。
材料内部空洞和裂缝的封填效果见图1、图2：
实施例二
步骤一：用砂纸在室温下对使用CVI工艺沉积过4炉的C/SiC复合材料表面打磨，超声清洗后，干燥。
步骤二：对干燥后的试样，在室温下采用聚硼硅氮烷(PBSZ)浸渍，封填材料内部的空洞和裂缝。完成浸渍后，在120～250℃下固化2～5个小时，实现对SiC基体中微裂纹的初步封填；
步骤三：把固化后的试样，放于CVI沉积炉内，使得在升温过程中进行SiBCN先驱体的裂解，在基体沉积过程中完成SiBCN先驱体的增材裂解和陶瓷化；
CVI法工艺条件为：以MTS作为先驱体，氢气作为载气和稀释气体，氩气作为保护气体；总气压为0.1～10kPa，沉积温度为800-1200℃，沉积时间为15～240h；所述MTS、氢气和氩气的比例为MTS:H2:Ar为1:5～25:5～20；所述MTS为CH3SiCl3。
沉积完成后，复合材料的气孔率由29％下降至8％，封填效果非常明显。
实施例三
步骤一：用砂纸在室温下对使用CVI工艺沉积过6炉的C/SiC复合材料表面打磨，超声清洗后，干燥。
步骤二：对干燥后的试样，在室温下采用聚硅硼氮烷(PSNB)浸渍，封填材料内部的空洞和裂缝。完成浸渍后，在120～250℃下固化2～5个小时，实现对SiC基体中微裂纹的初步封填；
步骤三：把固化后的试样，放于CVI沉积炉内，使得在升温过程中进行SiBCN先驱体的裂解，在基体沉积过程中完成SiBCN先驱体的增材裂解和陶瓷化；
CVI法工艺条件为：以MTS作为先驱体，氢气作为载气和稀释气体，氩气作为保护气体；总气压为0.1～10kPa，沉积温度为800-1200℃，沉积时间为15～240h；所述MTS、氢气和氩气的比例为MTS:H2:Ar为1:5～25:5～20；所述MTS为CH3SiCl3。
材料内部空洞和裂缝的封填效果见图3、图4：
实施例四
步骤一：用砂纸在室温下对使用CVI工艺沉积过6炉的C/SiC复合材料表面打磨，超声清洗后，干燥。
步骤二：对干燥后的试样，在室温下采用硼聚硅氮烷(PBSZ)浸渍，封填材料内部的空洞和裂缝。完成浸渍后，在120～250℃下固化2～5个小时，实现对SiC基体中微裂纹的初步封填；
步骤三：把固化后的试样，放于CVI沉积炉内，使得在升温过程中进行SiBCN先驱体的裂解，在基体沉积过程中完成SiBCN先驱体的增材裂解和陶瓷化；
CVI法工艺条件为：以MTS作为先驱体，氢气作为载气和稀释气体，氩气作为保护气体；总气压为0.1～10kPa，沉积温度为800-1200℃，沉积时间为15～240h；所述MTS、氢气和氩气的比例为MTS:H2:Ar为1:5～25:5～20；所述MTS为CH3SiCl3。
沉积完成后，复合材料的气孔率由12％下降至6％，封填效果非常明显。

Claims (2)

1.一种陶瓷基复合材料快速制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用聚合物聚硅硼氮烷PSNB在室温下对CVI工艺沉积过的C/SiC、SiC/SiC半成品复合材料进行浸渍，在120～250℃下固化2～5个小时，实现对SiC基体中微裂纹的初步封填；
步骤2：然后采用CVI工艺制备陶瓷基复合材料，使得在升温过程中进行SiBCN先驱体的裂解，在基体沉积过程中完成SiBCN先驱体的增材裂解和陶瓷化；
CVI法工艺条件为：以MTS作为先驱体，氢气作为载气和稀释气体，氩气作为保护气体；总气压为0.1～10kPa，沉积温度为800-1200℃，沉积时间为15～240h；所述MTS、氢气和氩气的比例为MTS:H2:Ar为1:5～25:5～20；所述MTS为CH3SiCl3。
2.根据权利要求1所述陶瓷基复合材料快速制备方法，其特征在于：在浸渍之前对CVI工艺沉积过的C/SiC、SiC/SiC半成品复合材料采用表面打磨，超声清洗后，干燥。
CN201510724406.9A 2015-10-29 2015-10-29 一种陶瓷基复合材料快速制备方法 Active CN105399452B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510724406.9A CN105399452B (zh) 2015-10-29 2015-10-29 一种陶瓷基复合材料快速制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510724406.9A CN105399452B (zh) 2015-10-29 2015-10-29 一种陶瓷基复合材料快速制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105399452A CN105399452A (zh) 2016-03-16
CN105399452B true CN105399452B (zh) 2017-08-08

Family

ID=55465261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510724406.9A Active CN105399452B (zh) 2015-10-29 2015-10-29 一种陶瓷基复合材料快速制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105399452B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107353041A (zh) * 2017-07-05 2017-11-17 中国建筑材料科学研究总院 SiC/SiC复合材料表面涂层体系及其制备方法
CN107879743B (zh) * 2017-09-28 2020-06-09 中国空间技术研究院 一种超高温陶瓷的低温烧结方法
CN109320301B (zh) * 2018-09-29 2021-09-14 中国航空工业集团公司基础技术研究院 一种SiC/SiC复合材料宽温域热防护涂层及其制备方法
CN109320275B (zh) * 2018-10-09 2021-11-02 中国航空工业集团公司基础技术研究院 一种抗氧化SiC纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法
CN111848219A (zh) * 2020-07-13 2020-10-30 航天特种材料及工艺技术研究所 一种提高rmi工艺制陶瓷基复合材料性能的方法及制得的陶瓷基复合材料
CN112250443A (zh) * 2020-10-30 2021-01-22 西北工业大学 一种超高温陶瓷涂层的多相耦合低温制备方法
CN113979784B (zh) * 2020-11-23 2023-04-18 航天特种材料及工艺技术研究所 一种高致密度陶瓷基复合材料及制备方法
CN112341235B (zh) * 2020-11-24 2023-01-24 西北工业大学 超高温自愈合陶瓷基复合材料的多相耦合快速致密化方法
CN113582729A (zh) * 2021-08-11 2021-11-02 上海大学绍兴研究院 一种陶瓷基复合材料及其制备方法和应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102617177A (zh) * 2012-03-31 2012-08-01 中材高新材料股份有限公司 氮化硼纤维织物增强硅-硼-氮陶瓷基复合材料的制法
CN104529499B (zh) * 2014-12-19 2016-09-07 东华大学 一种自愈合碳化硅纤维增强硅硼氮碳复合材料的制备方法
CN104611916B (zh) * 2015-01-14 2016-04-13 中国人民解放军国防科学技术大学 外表沉积SiBCN涂层的碳纤维及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105399452A (zh) 2016-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105399452B (zh) 一种陶瓷基复合材料快速制备方法
CN103724035B (zh) 一种碳纤维增强氮化硅-碳化硅陶瓷复合材料的增密方法
CN101503305B (zh) 一种自愈合碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法
CN109721377B (zh) 碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法
CN103864451B (zh) 可重复烧蚀使用的碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法
CN107353025B (zh) 一种耐1200℃抗氧化的陶瓷基复合材料的制备方法
CN112341235B (zh) 超高温自愈合陶瓷基复合材料的多相耦合快速致密化方法
CN106977217B (zh) 一种高强高韧性碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法
CN105152671B (zh) SiCf/SiC复合材料的界面改性方法
CN103992115B (zh) 一种C/SiC-HfC碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法
CN104311090B (zh) 一种热压烧结/前驱体裂解法制备Cf/ZrC-SiC超高温陶瓷复合材料的方法
CN103613400B (zh) 一种碳纤维增强碳-碳化硅双元陶瓷基梯度复合材料的制备方法
CN103910533B (zh) 一种双组元陶瓷改性炭/炭复合材料的制备方法
CN103724042B (zh) 一种叠层混杂防热复合结构材料的制备方法
CN102924106B (zh) 一种碳-碳化硅复合材料的制备方法
CN101913894A (zh) 一种碳化硅陶瓷基复合材料的双重自愈合改性方法
JP2015506892A (ja) Ｃｍｃ材料製の部品の製造方法
CN102276279A (zh) 碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的制备方法
CN103804006B (zh) 一种透波型Si3N4纤维增韧Si3N4陶瓷基复合材料的制备方法
CN103979974B (zh) 一种C/SiC-HfB2-HfC超高温陶瓷基复合材料的制备方法
CN110862264A (zh) 一种连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法和应用
CN107879758A (zh) 一种三明治结构C/C‑SiC复合材料及其制备方法
CN107759251B (zh) 一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法
CN112142486A (zh) 抗烧蚀碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法
CN104150958A (zh) 一种陶瓷基复合材料修复方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant