CN106220212A - 一种C/SiC复合材料快速制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种C/SiC复合材料快速制备方法，其步骤包括酸洗除杂、改性SiC、配置SiC浆料、注浆烧结。本发明采用纯SiC为陶瓷源，通过改性SiC，能够使高固相的SiC浆料顺利的进入三维碳纤维内部，然后快速制备出C/SiC复合材料，制备过程无单质硅和其它有机物引入，制备周期短、成本低，产品性能好。

Description

一种C/SiC复合材料快速制备方法

技术领域

本发明属于C/SiC复合材料制备领域，具体涉及一种C/SiC复合材料的快速制备方法。

背景技术

C/SiC复合材料具有密度低、力学性能和摩擦性能好、抗热冲击性能以及抗氧化能力强等优点，可广泛应用于航空航天、光伏、粉末冶金、工业高温炉及中高档汽车等领域。但是，由于目前国内外C/SiC复合材料的制备工艺主要采用化学气相渗透法（CVI）、先驱体浸渍裂解法（PIP）和反应熔体浸渗法（RMI）等，使其生产成本高昂、生产周期漫长，造成现在市面上的C/SiC复合材料制品价格昂贵。近年来，为了降低C/SiC复合材料的制备成本和缩短C/SiC复合材料制备周期，国内学者和技术人员对C/SiC复合材料制备技术进行了深入的研究，并公布了很多具有实用性的专利。

中国专利201510377418.9公布了一种C/SiC 复合材料的快速制备方法，该方法以聚碳硅烷为主要SiC源，利用PIP 结合SPS的方法快速制备出C/SiC 复合材料，部分解决了现有技术中存在的制备周期长，成本高，工艺复杂等问题。但是此方法需要在薄层碳纤维表面先沉积一层热解碳（PyC），然后反复裂解浸渍的聚碳硅烷液体制备C/SiC 复合材料，对大于0.3mm的碳纤维预制体并不适用，且沉积热解碳和反复裂解聚碳硅烷也需要较长时间，未从根本上解决C/SiC 复合材料制备周期长的问题。

中国专利201210147844.X公布了一种快速制备C/SiC 陶瓷基复合材料的方法，该方法以低分子液态聚碳硅烷为先驱体，碳纤维预制件为骨架，采用脉冲式加热的化学液气相沉积工艺快速制备出C/SiC 陶瓷基复合材料，解决了采用阶梯式升温的CLVD 工艺制备的C/SiC 陶瓷基复合材料内侧存在低密度区域，且材料中残留的孔隙率高等问题。该方法虽然改进了制备过程中的加热方式，但其本质上依然是采用化学气液相沉积技术，采用的SiC源为传统的聚碳硅烷，不能解决化学气液相沉积技术存在的固有缺陷。

中国专利201210278546. 4公布了低成本 C/SiC 陶瓷复合材料的制备方法，该方法主要改变了碳纤维预制体的编织方式，降低了预制体成本，但是该方法采用PIP制备技术，需要反复镀层、浸渍、固化，再加上编织工艺，整个过程比较复杂，制备周期较长。

中国专利201310290077.2公布了一种低成本熔硅浸渗法制备 C/SiC 复合材料的方法。该方法采用RMI工艺，在纤维上涂上碳化硼保护层，通过浸渗碳/碳化硅浆料来制备C/SiC 复合材料，制备的复合材料解决了传统的RMI法中游离硅过多而导致制品性能差的问题。但是该方法需要使用较多的试剂，而且需要多次浸渗碳 / 碳化硅浆料来达到性能要求，制备过程需要的步骤比较多，反应过程难控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种C/SiC复合材料快速制备方法，该方法采用纯SiC为陶瓷源，通过改性SiC，能够使高固相的SiC浆料顺利的进入三维碳纤维内部，然后快速制备出C/SiC复合材料，制备过程无单质硅和其它有机物引入，该方法制备周期短、成本低，产品性能好。

本发明所采用的技术方案如下：

步骤一，酸洗除杂：：将粒径100~150um的粗颗粒SiC粉与1~5um的细颗粒SiC粉按质量比与稀酸混合搅拌，配置成SiC悬浮液，去除SiC杂质。

步骤二，改性SiC：将SiC悬浮液水洗至中性，加入偶联剂，在70~90℃温度下搅拌，改性反应12~24h后，离心分离出SiC粉，烘干SiC粉待用。

步骤三，配置SiC浆料：将改性后的SiC粉、去离子水与分散剂混合，搅拌12h，配置成SiC浆料。

步骤四，注浆烧结：将SiC浆料注入到三维碳纤维预制体中，高温烧结制备成C/SiC复合材料。

本发明的步骤一中的粗颗粒SiC用量占SiC总质量的30~60%，细颗粒用量占SiC总质量的70~40%。

本发明的步骤一中的稀酸为盐酸、硝酸和氢氟酸中的一种或几种混合，稀酸浓度为5~15%。

本发明的步骤二中的偶联剂为硅烷类偶联剂，用量为总质量的1~5%。

本发明的步骤三中分散剂为四甲基氢氧化铵、 聚甲基丙烯酸铵、聚乙二醇中的一种或几种，用量为总质量的0.2~0.7%。

本发明的步骤三中SiC浆料的固相含量为60~80%。

本发明的步骤四中浆料注入采用注浆成型方法，注浆压力0.2~1.0Mpa。

本发明的步骤四中高温烧结温度为2200~2400℃。

本发明的有益效果是：使用纯SiC颗粒为陶瓷源，原料单一，无其它有机物和单质硅引入，保证了产品品质；制备过程中不需要反复的沉积和浸渍过程，节省了大量的制备时间；采用三维碳纤维预制体为胚体，无需编织，给注入SiC浆料提供发达的开孔结构的同时，赋予C/SiC复合材料一定强度，不会出现短切碳纤维和层压纤维布出现的易裂、强度差等问题；高温烧结过程一步到位，减少了PIP制备技术中的反复固化、碳化、高温处理等。制备的C/SiC复合材料性能好，SiC纯度高，周期短、成本低，制备过程环境友好无污染。

具体实施方式

实施例1：

（1）酸洗除杂：将纯度99%粒径150um的粗颗粒SiC粉与5um的细颗粒SiC粉按质量比3:7与浓度为5%的稀酸混合搅拌，配置成固相含量为25%的SiC悬浮液，去除SiC杂质；

（2）改性SiC：将SiC悬浮液水洗多次至中性，加入质量分数为2%硅烷偶联剂，在90℃温度下搅拌，改性反应24h后，离心分离出SiC粉，在120℃温度下烘干SiC粉，待用；

（3）配置SiC浆料：将改性后的SiC粉、去离子水与质量分数为0.5%的四甲基氢氧化铵混合，搅拌12h，配置成固相含量为70%的SiC浆料；

（4）注浆烧结：将SiC浆料0.2Mpa压力下注入到碳纤维预制体中，2400高温烧结12h制备成C/SiC复合材料。制备出来的C/SiC复合材料压缩强度130Mpa ，开气孔率7.8%。

实施例2：

（1）酸洗除杂：将纯度99%粒径100um的粗颗粒SiC粉与2um的细颗粒SiC粉按质量比1:1与浓度为5%的稀酸混合搅拌，配置成固相含量为25%的SiC悬浮液，去除SiC杂质；

（2）改性SiC：将SiC悬浮液水洗多次至中性，加入质量分数为1%硅烷偶联剂，在90℃温度下搅拌，改性反应24h后，离心分离出SiC粉，在120℃温度下烘干SiC粉，待用；

（3）配置SiC浆料：将改性后的SiC粉、去离子水与质量分数为0.2%的四甲基氢氧化铵混合，搅拌12h，配置成固相含量为80%的SiC浆料；

（4）注浆烧结：将SiC浆料0.5Mpa压力下注入到碳纤维预制体中，2400高温烧结12h制备成C/SiC复合材料。制备出来的C/SiC复合材料压缩强度150Mpa ，开气孔率6.5%。

以上所述，仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对本发明的各种形式的修改均落于本申请所附权利要求限定。

Claims (8)

1.一种C/SiC复合材料快速制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，酸洗除杂：将粒径100~150um的粗颗粒SiC粉与1~5um的细颗粒SiC粉与稀酸混合搅拌，配置成SiC悬浮液，去除SiC杂质；

步骤二，改性SiC：将SiC悬浮液水洗至中性，加入偶联剂，在70~90℃温度下搅拌，改性反应12~24h后，离心分离出SiC粉，烘干SiC粉待用；

步骤三，配置SiC浆料：将改性后的SiC粉、去离子水与分散剂混合，搅拌12h，配置成SiC浆料；

步骤四，注浆烧结：将SiC浆料注入到三维碳纤维预制体中，高温烧结制备成C/SiC复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种C/SiC复合材料快速制备方法，其特征在于：所述步骤一中的粗颗粒SiC用量占SiC总质量的30~60%，细颗粒用量占SiC总质量的70~40%。

3.根据权利要求1所述的一种C/SiC复合材料快速制备方法，其特征在于：所述步骤一中的稀酸为盐酸、硝酸和氢氟酸中的一种或几种混合，稀酸浓度为5~15%。

4.根据权利要求1所述的一种C/SiC复合材料快速制备方法，其特征在于：所述步骤二中的偶联剂为硅烷类偶联剂，用量为总质量的1~5%。

5.根据权利要求1所述的一种C/SiC复合材料快速制备方法，其特征在于：所述步骤三中分散剂为四甲基氢氧化铵、 聚甲基丙烯酸铵、聚乙二醇中的一种或几种，用量为总质量的0.2~0.7%。

6.根据权利要求1所述的一种C/SiC复合材料快速制备方法，其特征在于：所述步骤三中SiC浆料的固相含量为60~80%。

7.根据权利要求1所述的一种C/SiC复合材料快速制备方法，其特征在于：所述步骤四中浆料注入采用注浆成型方法，注浆压力0.2~1.0Mpa。

8.根据权利要求1所述的一种C/SiC复合材料快速制备方法，其特征在于：所述步骤四中高温烧结温度为2200~2400℃。