CN106064951A - C/C‑SiC复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

C/C‑SiC复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种C/C‑SiC复合材料及其制备方法和应用，C/C‑SiC复合材料包括碳纤维预制件、碳基体和碳化硅基体，所述碳基体和碳化硅基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，所述第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。制备方法包括以下步骤：(1)引入碳基体；(2)分别引入第一碳化硅基体和第二碳化硅基体。该C/C‑SiC复合材料具有组分均匀、致密度高、基体颗粒细腻、摩擦稳定性高、热导率高和力学性能优异等优点。该制备方法工艺简单，所得复合材料性能优异。

Description

C/C-SiC复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于碳纤维增强陶瓷基复合材料领域，尤其涉及一种C/C-SiC复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
C/C-SiC(碳陶)复合材料结合了C/C复合材料和SiC的优点，具有密度低、耐磨、摩擦系数高、制动平稳、抗腐蚀、抗氧化、耐高温、环境适应性强(如湿态下摩擦因素不衰退)和寿命长等优点，是一种较为理想的新型高性能摩擦材料。
现有技术中，对于碳陶复合材料的制备步骤主要包括：(1)多孔C/C复合材料的制备，主要采用化学气相渗透(Chemical vapor infiltration，CVI)方法或先驱体浸渍-裂解(Precursor infiltration and pyrolysis，PIP)方法；(2)C/C-SiC复合材料的制备，在多孔C/C复合材料的基础上，引入SiC基体，SiC基体的引入方法有CVI法和液相渗硅(Liquidsilicon infiltration，LSI)法。
以上制备方法在实际应用中还存在以下问题：(1)在多孔C/C复合材料的基础上，采用CVI方法引入SiC基体时，由于CVI方法不能获得完全致密的碳陶复合材料，制得的C/C-SiC复合材料具有约10Vol％左右的孔隙率，孔隙率的存在降低了复合材料的热导率，导致得到的碳陶复合材料热导率一般小于20W/m·k，满足不了高能载刹车的使用要求(要求碳陶复合材料的热导率大于40W/m·K)；(2)在多孔C/C复合材料的基础上，采用LSI方法引入SiC基体时，虽然能获得完全致密的复合材料，但复合材料中会残留体积分数超过5％的残留Si，残留Si的硬度小于SiC，在摩擦过程中会逐步磨损掉，使得复合材料中留下凹坑，凹坑的形成会加剧刹车片的磨损，从而影响材料的使用寿命，另外，残留Si在摩擦过程中会发生氧化磨损形成熔融SiO2，产生粘着效应，降低了材料的摩擦稳定性，甚至导致刹车片粘合在一起抱死；(3)单纯采用LSI方法引入SiC基体时，由于LSI工艺的温度大于1450℃，反应得到的SiC基体颗粒尺寸大，在摩擦过程中粗颗粒的SiC会加速摩擦片的磨损，也会影响材料的使用寿命；(4)LSI法中所用液态Si的浓度高，反应初期Si与C反应速度过快且难以控制，导致制得的碳陶复合材料表面快速形成闭孔，反应后期的Si无法渗入复合材料中参与反应，碳陶复合材料的表面和内部的硅渗入量不均一，造成碳陶复合材料内外组分不均匀，使用时易开裂的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种组分均匀、致密度高、基体颗粒细腻、摩擦稳定性高、热导率高和力学性能优异的C/C-SiC复合材料，还提供一种上述C/C-SiC复合材料的制备方法及其作为摩擦材料的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种C/C-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、碳基体和碳化硅基体，所述碳基体和碳化硅基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，所述第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。
上述的C/C-SiC复合材料，优选的，所述C/C-SiC复合材料中不含残留硅。
上述的C/C-SiC复合材料，优选的，所述第一碳化硅基体由化学气相渗透工艺引入。
上述的C/C-SiC复合材料，优选的，所述C/C-SiC复合材料中，所述碳基体的体积分数为20％～40％，所述第一碳化硅基体的体积分数为10％～25％，所述第二碳化硅基体的体积分数为15％～25％，孔隙率为0％～5％。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种C/C-SiC复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)引入碳基体：采用化学气相渗透工艺在碳纤维立体针刺毡内沉积碳基体，得到C/C复合材料；
(2)引入碳化硅基体：
(2.1)采用化学气相渗透工艺在步骤(1)所得C/C复合材料中沉积碳化硅基体，得到C/C-SiC复合材料中间体；
(2.2)在真空条件下，对步骤(2.1)所得C/C-SiC复合材料中间体进行气相渗硅烧结，得到C/C-SiC复合材料。
上述C/C-SiC复合材料的制备方法，优选的，步骤(2)之后还包括：
(3)刻蚀除硅：将步骤(2.2)所得C/C-SiC复合材料置于氢氟酸中浸泡。
上述C/C-SiC复合材料的制备方法，优选的，步骤(3)之后还包括：
(4)封孔：采用化学气相沉积工艺在步骤(3)经浸泡后的C/C-SiC复合材料表面沉积SiC涂层。
上述C/C-SiC复合材料的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述C/C复合材料中碳基体的体积分数为30％～45％；所述步骤(2.1)中，所述C/C-SiC复合材料中间体中SiC基体的体积分数为10％～25％。
上述C/C-SiC复合材料的制备方法，优选的，所述步骤(2.2)中，烧结温度为1450℃～1600℃，真空度为10Pa～100Pa，保温时间为1h～6h；所述步骤(3)中，所述浸泡时间为24h～48h；所述步骤(4)中，所述SiC涂层厚度为5μm～10μm。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的C/C-SiC复合材料或上述的C/C-SiC复合材料的制备方法所制备的C/C-SiC复合材料作为摩擦材料的应用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的C/C-SiC复合材料，基体由C和SiC双组元基体组成。其中碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入，即渗入的气态硅与先引入的部分碳基体原位反应生成第二碳化硅基体，该第二碳化硅基体可进一步提升碳陶复合材料的致密度，进而提升复合材料的热导率及力学性能。另外，该第二碳化硅基体为多晶SiC，多晶SiC具有热导率高的优点，同时其在干/湿状态下的均具有稳定的摩擦系数，克服了C/C复合材料在湿态摩擦环境下失效的缺点，有利于保证碳陶复合材料在恶劣条件下的稳定性，拓宽了碳陶复合材料在湿态环境中的应用。
2、本发明的C/C-SiC复合材料，碳基体由化学气相渗透工艺引入，CVI工艺一般温度低(≤1100℃)，所引入的第一碳化硅基体颗粒细腻，有助于降低碳陶摩擦片的磨损率；且CVI工艺引入的碳基体为结晶态碳，结晶态碳是一种良好的摩擦材料，结晶态的C在摩擦过程中会形成良好的摩擦膜，有利于提升材料的摩擦稳定性，且具有自润滑效果。
3、进一步地，本发明的C/C-SiC复合材料不含残留硅，不存在粘着效应，提高了复合材料的摩擦稳定性。
4、本发明的C/C-SiC复合材料的制备方法，先采用化学气相渗透工艺(CVI)在碳纤维立体针刺毡内引入碳基体，再采用化学气相渗透工艺(CVI)+气相渗硅烧结(GSI)的联用工艺引入碳化硅基体，解决单一工艺方法制备碳化硅基体的不足，并充分发挥各单一工艺的优势。采用CVI工艺制备的CVI碳基体具有很好的摩擦润滑作用，同时，能够很好保护碳纤维在后续渗硅烧结过程中不被损伤。联用工艺具体为：先采用CVI方法引入足够多的CVI碳化硅基体，CVI方法温度低(≤1100℃)，得到的碳化硅基体颗粒细腻，有助于降低碳陶摩擦片的磨损率；再采用气相渗硅烧结(GSI)方法，使Si在真空高温下气化，气态Si渗进C/C-SiC复合材料内部，和部分碳基体反应，得到GSI碳化硅基体，进一步提升碳陶复合材料的致密度，进而提升复合材料的热导率。
另外，采用GSI工艺制备部分SiC基体，相比于LSI工艺，GSI工艺反应过程温和，渗透深度大(超过100mm)，有利于制备出组成均匀的碳陶复合材料。
5、本发明的C/C-SiC复合材料的制备方法，进一步地，引入碳化硅基体后还包括刻蚀除硅步骤，这是因为：GSI烧结后，在降温过程中，气相Si会在复合材料表面残留的微孔中凝聚，使得降温后得到的C/C-SiC复合材料中含有少量的残留Si。因此，后续工艺步骤中，对得到的C/C-SiC复合材料进行刻蚀除Si处理，具体为在室温下将复合材料制品浸泡在氢氟酸液体中，优选地，浸泡时间为24～48小时，使得残留Si去除完整。
6、本发明的C/C-SiC复合材料的制备方法，进一步地，刻蚀除硅后还包括SiC涂层封孔步骤，这是因为：C/C-SiC复合材料去除残余Si的地方会留下气孔。本发明采用的化学气相沉积工艺(CVD)在去除残留硅后的C/C-SiC复合材料表面沉积SiC涂层。优选地，涂层制备厚度为5～10微米，保证涂层能充分填充去除残留Si后的复合材料中留下的气孔，得到最终致密的C/C-SiC复合材料制品。
7、本发明的C/C-SiC复合材料的制备方法，采用碳纤维立体针刺毡织物作为增强体，碳纤维立体针刺毡可采用碳布和网胎交叉叠层穿刺的方法制备，优选地，碳纤维立体针刺毡中碳纤维的体积分数为30～35％，碳纤维体积分数高，有利于发挥纤维的增强增韧作用。
优选地，步骤(1)制备的C/C复合材料中，CVI碳基体含量控制在体积分数为30～45％，既能充分保护碳纤维和起到摩擦组元作用，又能为后续SiC基体的引入留下通道。
一定含量SiC基体的引入能够实现复合材料在干/湿态下的摩擦稳定性，同时提高复合材料的综合性能，但化学气相渗透工艺(CVI)无法制备完全致密复合材料，优选地，步骤(2.1)所得的C/C-SiC复合材料中间体中，CVI SiC基体含量控制在体积分数为10～25％，为后续气相渗硅烧结(GSI)引入GSI碳化硅基体提供便利。
8、本发明的C/C-SiC复合材料的制备方法，步骤(2.1)所得的C/C-SiC复合材料中间体中，仍然有10％以上的气孔率，不能实现复合材料致密化。步骤(2.2)在真空烧结条件下进行气相渗硅，与常规的液相渗硅(LSI)相比，GSI能提高Si渗入C/C-SiC复合材料预制体孔道的速度和深度，并且得到致密的C/C-SiC复合材料。优选的，真空度为10～100Pa，烧结温度为1450～1600℃，烧结时间为1～6小时。在上述条件下，Si在烧结温度、真空状态下能够气化，然后以分子体积更小的气态渗进C/C-SiC复合材料，气态Si通过和部分C基体反应，得到GSI SiC基体，进一步提高了碳陶复合材料的致密度。此条件为本发明的最佳反应条件。反应温度太低，Si不能气化，反应温度太高，对复合材料的力学性能又会造成不利影响。
9、本发明的C/C-SiC复合材料的制备方法，所制备得到的C/C-SiC复合材料的热导率达56.9W/mK，弯曲强度达308MPa、断裂韧性达12.1MPa·m1/2、摩擦系数为0.29、磨损率为0.25μm/次，C/C-SiC复合材料内外组份均一，各项力学、热学性能和摩擦磨损优良，是一种良好的摩擦片材料，可制成摩擦片或航空、高速列车、汽车的刹车片。
附图说明
图1为本发明实施例1～5的C/C-SiC复合材料的制备工艺流程图。
图2为本发明实施例3所制备的C/C-SiC复合材料的剖面显微照片。
图3为本发明实施例3的C/C-SiC复合材料制备的摩擦片的宏观照片。
图4为本发明实施例3的C/C-SiC复合材料的断口SEM照片。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所用的CVI、GSI、CVD方法的工艺步骤均为常规步骤，相应的工艺条件也为常规工艺参数。其他物料和所用仪器设备均为市售。
以下实施例中样品的弯曲强度、断裂韧性、热导率、摩擦系数和磨损率均按常规方法测得。
实施例1：
一种本发明的C/C-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、先后引入的碳基体和碳化硅基体，碳基体和碳化硅基体均匀填充于碳纤维预制件的孔隙中，碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。
本实施例中，C/C-SiC复合材料中不含残留硅。
本实施例中，第一碳化硅基体由化学气相渗透工艺引入。
本实施例中，该C/C-SiC复合材料中，碳基体的体积分数为37％，第一碳化硅基体的体积分数为10％，所述第二碳化硅基体的体积分数为20％，孔隙率为3％。
一种上述本实施例的C/C-SiC复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)引入CVI碳基体：在纤维体积分数为30％的碳纤维立体针刺毡内通过化学气相渗透工艺(CVI)沉积C基体，得到C/C复合材料，所沉积的C基体体积分数为45％；
2)引入CVI碳化硅基体：采用CVI方法在多孔C/C复合材料中沉积体积分数为10％的SiC基体，即引入第一碳化硅基体(CVI SiC基体)，得到C/C-SiC复合材料中间体；
3)引入GSI碳化硅基体：在1600℃、100Pa高温真空条件下，将C/C-SiC复合材料中间体进行GSI烧结，时间为1小时，引入第二碳化硅基体，即GSI SiC基体，得到C/C-SiC复合材料；
4)刻蚀除硅：在室温下将C/C-SiC复合材料在氢氟酸中浸泡24小时除去复合材料中的残留Si，得到去除残留硅的C/C-SiC复合材料；
5)SiC涂层封孔：采用CVD方法在去除残留硅的C/C-SiC复合材料表面制备10微米厚的SiC涂层进行封孔，得到最终C/C-SiC复合材料成品，作为样品1，其性能测试结果见表1。
实施例2：
一种本发明的C/C-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、先后引入的碳基体和碳化硅基体，碳基体和碳化硅基体均匀填充于碳纤维预制件的孔隙中，碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。
本实施例中，C/C-SiC复合材料中不含残留硅。
本实施例中，第一碳化硅基体由化学气相渗透工艺引入。
本实施例中，该C/C-SiC复合材料中，碳基体的体积分数为23％，第一碳化硅基体的体积分数为25％，所述第二碳化硅基体的体积分数为15％，孔隙率为2％。
一种上述本实施例的C/C-SiC复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)引入CVI碳基体：在纤维体积分数为35％的碳纤维立体针刺毡内通过化学气相渗透工艺(CVI)沉积C基体，得到C/C复合材料，所沉积的C基体体积分数为30％；
2)引入CVI碳化硅基体：采用CVI方法在多孔C/C复合材料中沉积体积分数为25％的SiC基体，即引入第一碳化硅基体(CVI SiC基体)，得到C/C-SiC复合材料中间体；
3)引入GSI碳化硅基体：在1450℃、10Pa高温真空条件下，将C/C-SiC复合材料中间体进行GSI烧结，时间为6小时，引入第二碳化硅基体，即GSI SiC基体，得到C/C-SiC复合材料；
4)刻蚀除硅：在室温下将C/C-SiC复合材料在氢氟酸中浸泡48小时除去复合材料中的残留Si，得到去除残留硅的C/C-SiC复合材料；
5)SiC涂层封孔：采用CVD方法在去除残留硅的C/C-SiC复合材料表面制备5微米厚的SiC涂层进行封孔，得到最终C/C-SiC复合材料成品，作为样品2，其性能测试结果见表1。
实施例3：
一种本发明的C/C-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、先后引入的碳基体和碳化硅基体，碳基体和碳化硅基体均匀填充于碳纤维预制件的孔隙中，碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。
本实施例中，C/C-SiC复合材料中不含残留硅。
本实施例中，第一碳化硅基体由化学气相渗透工艺引入。
本实施例中，该C/C-SiC复合材料中，碳基体的体积分数为25％，第一碳化硅基体的体积分数为17％，所述第二碳化硅基体的体积分数为25％，孔隙率为0％。
一种上述本实施例的C/C-SiC复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)引入CVI碳基体：在纤维体积分数为33％的碳纤维立体针刺毡内通过化学气相渗透工艺(CVI)沉积C基体，得到C/C复合材料，所沉积的C基体体积分数为37％；
2)引入CVI碳化硅基体：采用CVI方法在多孔C/C复合材料中沉积体积分数为17％的SiC基体，即引入第一碳化硅基体(CVI SiC基体)，得到C/C-SiC复合材料中间体；
3)引入GSI碳化硅基体：在1550℃、50Pa高温真空条件下，将C/C-SiC复合材料中间体进行GSI烧结，时间为3小时，引入第二碳化硅基体，即GSI SiC基体，得到C/C-SiC复合材料；
4)刻蚀除硅：在室温下将C/C-SiC复合材料在氢氟酸中浸泡36小时除去复合材料中的残留Si，得到去除残留硅的C/C-SiC复合材料；
5)SiC涂层封孔：采用CVD方法在去除残留硅的C/C-SiC复合材料表面制备7微米厚的SiC涂层进行封孔，得到最终C/C-SiC复合材料成品，作为样品3，其性能测试结果见表1。
本实施例所制备的C/C-SiC复合材料的剖面显微照片如图2所示，可以看到，C/C-SiC复合材料非常致密，纤维保存完好，C和SiC均匀地分布在纤维周边。
图3为由本实施例的C/C-SiC复合材料制备的摩擦片的宏观照片，为按照该实施例制备出的某型1:1尺寸C/C-SiC摩擦片宏观照片，该摩擦片外形尺寸400mm左右，外观致密无缺陷，说明本发明能制备出满足实际应用的摩擦片。
图4为本实施例所制备的C/C-SiC复合材料的断口SEM照片，可以看到，复合材料断口非常致密，C纤维完整保留在复合材料中。
实施例4：
一种本发明的C/C-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、先后引入的碳基体和碳化硅基体，碳基体和碳化硅基体均匀填充于碳纤维预制件的孔隙中，碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。
本实施例中，C/C-SiC复合材料中不含残留硅。
本实施例中，第一碳化硅基体由化学气相渗透工艺引入。
本实施例中，该C/C-SiC复合材料中，碳基体的体积分数为20％，第一碳化硅基体的体积分数为20％，所述第二碳化硅基体的体积分数为25％，孔隙率为5％。
一种上述本实施例的C/C-SiC复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)引入CVI碳基体：在纤维体积分数为30％的碳纤维立体针刺毡内通过化学气相渗透工艺(CVI)沉积C基体，得到C/C复合材料，所沉积的C基体体积分数为30％；
2)引入CVI碳化硅基体：采用CVI方法在多孔C/C复合材料中沉积体积分数为20％的SiC基体，即引入第一碳化硅基体(CVI SiC基体)，得到C/C-SiC复合材料中间体；
3)引入GSI碳化硅基体：在1500℃、30Pa高温真空条件下，将C/C-SiC复合材料中间体进行GSI烧结，时间为4小时，引入第二碳化硅基体，即GSI SiC基体，得到C/C-SiC复合材料；
4)刻蚀除硅：在室温下将C/C-SiC复合材料在氢氟酸中浸泡24小时除去复合材料中的残留Si，得到去除残留硅的C/C-SiC复合材料；
5)SiC涂层封孔：采用CVD方法在去除残留硅的C/C-SiC复合材料表面制备5微米厚的SiC涂层进行封孔，得到最终C/C-SiC复合材料成品，作为样品4，其性能测试结果见表1。
实施例5：
一种本发明的C/C-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、先后引入的碳基体和碳化硅基体，碳基体和碳化硅基体均匀填充于碳纤维预制件的孔隙中，碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。
本实施例中，C/C-SiC复合材料中不含残留硅。
本实施例中，第一碳化硅基体由化学气相渗透工艺引入。
本实施例中，该C/C-SiC复合材料中，碳基体的体积分数为25％，第一碳化硅基体的体积分数为15％，所述第二碳化硅基体的体积分数为25％，孔隙率为2％。
一种上述本实施例的C/C-SiC复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)引入CVI碳基体：在纤维体积分数为33％的碳纤维立体针刺毡内通过化学气相渗透工艺(CVI)沉积C基体，得到C/C复合材料，所沉积的C基体体积分数为35％；
2)引入CVI碳化硅基体：采用CVI方法在多孔C/C复合材料中沉积体积分数为15％的SiC基体，即引入第一碳化硅基体(CVI SiC基体)，得到C/C-SiC复合材料中间体；
3)引入GSI碳化硅基体：在1600℃、50Pa高温真空条件下，将C/C-SiC复合材料中间体进行GSI烧结，时间为2小时，引入第二碳化硅基体，即GSI SiC基体，得到C/C-SiC复合材料；
4)刻蚀除硅：在室温下将C/C-SiC复合材料在氢氟酸中浸泡48小时除去复合材料中的残留Si，得到去除残留硅的C/C-SiC复合材料；
5)SiC涂层封孔：采用CVD方法在去除残留硅的C/C-SiC复合材料表面制备10微米厚的SiC涂层进行封孔，得到最终C/C-SiC复合材料成品。作为样品5，其性能测试结果见表1。
实施例6：
一种本发明的C/C-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、先后引入的碳基体和碳化硅基体，碳基体和碳化硅基体均匀填充于碳纤维预制件的孔隙中，碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。
本实施例中，第一碳化硅基体由化学气相渗透工艺引入。
本实施例中，该C/C-SiC复合材料中，碳基体的体积分数为35％，第一碳化硅基体的体积分数为10％，所述第二碳化硅基体的体积分数为22％，孔隙率为3％。
本实施例的C/C-SiC复合材料制备过程与实施例1基本相同，区别在于本对比例中没有步骤4)和5)，GSI烧结后得到C/C-SiC复合材料作为样品6，其性能测试结果见表1。
对比例1：
本对比例的制备过程与实施例1基本相同，区别仅在于本对比例中没有步骤2)，所得的C/C-SiC复合材料作为对比样品1，其性能测试结果见表1。
对比例2：
本对比例的制备过程与实施例1基本相同，区别在于本对比例中没有步骤3)～5)，步骤2)所得的C/C-SiC复合材料中间体作为对比样品2，其性能测试结果见表1。
对样品1～5和对比例样品1～2进行材料力学性能、热学性能测试和试环摩擦磨损性能测试，所得结果列于表1。
表1 样品1～5和对比例样品1～2的性能测试结果
对表1性能测试数据分析如下：
1、由表1可见，本发明采用联合工艺制备的C/C-SiC复合材料，由于先通过CVI引入了晶粒细小的CVI SiC基体，再采用GSI原位反应生成了GSI SiC基体，使得复合材料进一步致密化，与单一采用渗硅烧结(对比例1)或CVI(对比例2)引入碳化硅制备得到的对比样品相比，本发明的复合材料强度和模量更高；由于复合材料致密度高，其热导率相应也比单一工艺制备的复合材料更高。
2、摩擦系数和磨损率是衡量摩擦材料摩擦性能的综合考量指标。由表1可见，单一采用GSI制备的致密复合材料(对比样品1)摩擦系数大，但磨损率也大；单一CVI制备的C/C-SiC复合材料(对比样品2)因SiC含量少，磨损小，但是摩擦系数低，需要用很大的力才能刹住车，实际上难以应用。本发明采用联合工艺制备的C/C-SiC复合材料，结合了上述两者的优点，得到的C/C-SiC复合材料具有高摩擦系数、低磨损率的特点，摩擦系数和磨损率匹配佳，摩擦性能更优异。
另外，与未除Si封孔所得的C/C-SiC复合材料(样品6)相比，经除Si封孔所得的C/C-SiC复合材料(样品1～4)的力学性能和摩擦性能更优异。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种C/C-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、碳基体和碳化硅基体，其特征在于，所述碳基体和碳化硅基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，所述第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。
2.根据权利要求1所述的C/C-SiC复合材料，其特征在于，所述C/C-SiC复合材料中不含残留硅。
3.根据权利要求2所述的C/C-SiC复合材料，其特征在于，所述第一碳化硅基体由化学气相渗透工艺引入。
4.根据权利要求1～3任一项所述的C/C-SiC复合材料，其特征在于，所述C/C-SiC复合材料中，所述碳基体的体积分数为20％～40％，所述第一碳化硅基体的体积分数为10％～25％，所述第二碳化硅基体的体积分数为15％～25％，孔隙率为0％～5％。
5.一种C/C-SiC复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)引入碳基体：采用化学气相渗透工艺在碳纤维立体针刺毡内沉积碳基体，得到C/C复合材料；
(2)引入碳化硅基体：
(2.1)采用化学气相渗透工艺在步骤(1)所得C/C复合材料中沉积碳化硅基体，得到C/C-SiC复合材料中间体；
(2.2)在真空条件下，对步骤(2.1)所得C/C-SiC复合材料中间体进行气相渗硅烧结，得到C/C-SiC复合材料。
6.根据权利要求5所述C/C-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)之后还包括：
(3)刻蚀除硅：将步骤(2.2)所得C/C-SiC复合材料置于氢氟酸中浸泡。
7.根据权利要求6所述C/C-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)之后还包括：
(4)封孔：采用化学气相沉积工艺在步骤(3)经浸泡后的C/C-SiC复合材料表面沉积SiC涂层。
8.根据权利要求5～7任一项所述的C/C-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述C/C复合材料中碳基体的体积分数为30％～45％；所述步骤(2.1)中，所述C/C-SiC复合材料中间体中SiC基体的体积分数为10％～25％。
9.根据权利要求8所述的C/C-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2.2)中，烧结温度为1450℃～1600℃，真空度为10Pa～100Pa，保温时间为1h～6h；所述步骤(3)中，所述浸泡时间为24h～48h；所述步骤(4)中，所述SiC涂层厚度为5μm～10μm。
10.一种如权利要求1～4任一项所述的C/C-SiC复合材料或权利要求5～9任一项所述的C/C-SiC复合材料的制备方法所制备的C/C-SiC复合材料作为摩擦材料的应用。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107903085A (zh) * 2017-12-01 2018-04-13 北京天宜上佳新材料股份有限公司 一种碳陶制动件的制备方法
CN109879672A (zh) * 2019-04-12 2019-06-14 苏州赛力菲陶纤有限公司 一种免水冷偏流板的制备方法
CN110028330A (zh) * 2018-01-11 2019-07-19 航天特种材料及工艺技术研究所 一种陶瓷基复合材料及其制备方法
CN110128157A (zh) * 2019-03-11 2019-08-16 中国航发北京航空材料研究院 一种去除SiCf/SiC复合材料残余硅的方法
CN112552067A (zh) * 2020-12-29 2021-03-26 中京吉泰(北京)科技有限责任公司 一种C/C-SiC-CuSnTi复合材料及其制备方法
CN113748096A (zh) * 2019-04-05 2021-12-03 赛峰航空陶瓷技术公司 制造cmc部件的方法
CN113941713A (zh) * 2021-09-17 2022-01-18 武汉拓普准晶新材料有限公司 一种碳化硅陶瓷-金属复合材料制品及其制备方法
CN115368141A (zh) * 2022-09-15 2022-11-22 湖南博云新材料股份有限公司 一种α-SiC和无定形氮化硅复相陶瓷刹车材料及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105016759A (zh) * 2015-07-01 2015-11-04 西北工业大学 一种C/SiC复合材料的快速制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105016759A (zh) * 2015-07-01 2015-11-04 西北工业大学 一种C/SiC复合材料的快速制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
严春雷 等: "气相渗硅制备C/SiC复合材料", 《航空制造技术》 *
肖鹏 等: "CVI-RMI 法制备C/SiC 复合材料的微观结构与弯曲性能", 《中南大学学报(自然科学版)》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107903085A (zh) * 2017-12-01 2018-04-13 北京天宜上佳新材料股份有限公司 一种碳陶制动件的制备方法
CN110028330A (zh) * 2018-01-11 2019-07-19 航天特种材料及工艺技术研究所 一种陶瓷基复合材料及其制备方法
CN110028330B (zh) * 2018-01-11 2021-10-29 航天特种材料及工艺技术研究所 一种陶瓷基复合材料及其制备方法
CN110128157A (zh) * 2019-03-11 2019-08-16 中国航发北京航空材料研究院 一种去除SiCf/SiC复合材料残余硅的方法
CN113748096A (zh) * 2019-04-05 2021-12-03 赛峰航空陶瓷技术公司 制造cmc部件的方法
CN109879672A (zh) * 2019-04-12 2019-06-14 苏州赛力菲陶纤有限公司 一种免水冷偏流板的制备方法
CN112552067A (zh) * 2020-12-29 2021-03-26 中京吉泰(北京)科技有限责任公司 一种C/C-SiC-CuSnTi复合材料及其制备方法
CN113941713A (zh) * 2021-09-17 2022-01-18 武汉拓普准晶新材料有限公司 一种碳化硅陶瓷-金属复合材料制品及其制备方法
CN115368141A (zh) * 2022-09-15 2022-11-22 湖南博云新材料股份有限公司 一种α-SiC和无定形氮化硅复相陶瓷刹车材料及其制备方法
CN115368141B (zh) * 2022-09-15 2023-07-14 湖南博云新材料股份有限公司 一种α-SiC和无定形氮化硅复相陶瓷刹车材料及其制备方法

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