CN107512929B - 一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面处理领域，具体公开一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面处理方法。先在950~1100℃高纯氮气条件下处理碳纤维增强陶瓷基复合材料；将Ti粉、NH4Cl、Al2O3粉混合均匀得到混合粉末；用混合粉末包埋处理过的碳纤维增强陶瓷基复合材料，在真空1200~1300℃下反应3~5h，之后自然降温冷却即可。本发明方法利用高纯氮气下的强化处理与Ti粉与残余硅的进一步反应降低硅的含量，从而提升复合材料的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面处理领域，具体涉及一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面处理方法。
背景技术
C/C-SiC复合材料相对于C/C复合材料而言，区别在于采用抗氧化性能优异的SiC基体取代了C/C复合材料中的部分C基体，从而在基本保持了 C/C复合材料力学性能的基础上，显著改善了抗氧化性能。因此，C/C-SiC复合材料除了具备C/C复合材料的耐高温、高比强度、高比模量、低热膨胀系数和优异的高温热力学稳定性等一系列优良性能外，还具有基体致密度高、耐热震、抗烧蚀以及热化学稳定性好等特性，并且作为一种具有优异结构强度和耐氧化/腐蚀的轻质新型复合材料而受到越来越广泛的关注。
其中液硅熔渗法凭借工艺过程简单、制备周期短、成本低、近净成型、易于工业化生产等优点，使相关研究在国内外受到极大关注。其中C/C预制体的孔隙尺寸、分布和密度等，对液硅熔渗反应后SiC基体在材料中的粒径大小、分布均匀性以及残留Si含量有着很大的影响。研究已指出，残留Si含量会影响C/C-SiC复合材料的高温力学性能和抗氧化性。当素坯的密度较低时，不仅脆性相残余Si体积分数较高，另外有部分纤维已被硅蚀，同时由于SiC和 Si含量较高，体积膨胀较大，存在较多裂纹，导致材料受力时易沿裂纹扩展，因此力学性能较差。除了C/C-SiC复合材料，对于碳纤维增强的其他陶瓷基复合材料（TiB2，B4C，Si3N4，MoSi2等），在利用熔融渗硅致密化过程中产生的残余硅都将对复合材料的力学性能产生不利影响。但是目前对残余硅的处理却研究的较少，虽然研究表明可以用浓混酸腐蚀除硅，却存在易对复合材料产生损伤的弊端。因此，需要寻找一种纤维增强复合材料的表面处理方法，在保证复合材料优异力学性能的基础上降低残余Si的含量。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面处理方法，该方法利用高纯氮气下的强化处理与Ti粉与残余硅的进一步反应降低硅的含量，从而提升复合材料的力学性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面处理方法，所述碳纤维增强陶瓷基复合材料为经过熔融渗硅致密化处理制备得到的碳纤维增强陶瓷基复合材料，其表面处理步骤如下：
（1）、先在950~1100℃高纯氮气条件下处理碳纤维增强陶瓷基复合材料；
（2）、将Ti粉、NH4Cl、Al2O3粉混合均匀得到混合粉末；
（3）、用步骤（2）所得混合粉末包埋步骤（1）处理过的碳纤维增强陶瓷基复合材料，在真空1200~1300℃下反应3~5h，之后自然降温冷却即可。
较好地，所述碳纤维增强陶瓷基复合材料为C/C-SiC复合材料、C/C-TiB2复合材料、C/C-B4C复合材料、C/C-Si3N4复合材料或C/C-MoSi2复合材料。
较好地，步骤（1）中，高纯氮气处理的时间为5~6h。
较好地，所述高纯氮气的纯度≥99.999%。
较好地，步骤（2）中，所述Ti粉、NH4Cl、Al2O3的质量比为（75~85）∶3∶（12~22）；将三者放置于球磨罐中，球磨0.5~1h得到混合粉末。
本发明提供一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面处理方法，用于复合材料表面的强化，以及对熔渗过程残余硅的处理。先通入高纯氮气与部分残余硅反应可以得到Si3N4，实现材料表面的强化；接着利用Ti粉包埋来进一步除去残余硅，其中利用Al2O3粉来降低Ti粉在高温下的活性，NH4Cl用来分散粉体，防止团聚，进而实现复合材料力学性能的提升，同时其与硅反应生成TiSi2，对复合材料性能的提升大有裨益。本发明利用两步法来实现对C/C-SiC复合材料表面残余硅的除去，同时也适用于其他采用熔融渗硅来致密化的纤维增强陶瓷基复合材料，如碳纤维增强TiB2、B4C、Si3N4、MoSi2等，对陶瓷基复合材料的提升具有重要的意义。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
实施例1
经过熔融渗硅致密化处理制备得到C/C-SiC复合材料（为现有技术，不赘述）。
一种C/C-SiC复合材料的表面处理方法，其表面处理步骤如下：
（1）、先在1000℃高纯氮气（纯度≥99.999%）条件下处理经过渗硅得到的C/C-SiC复合材料，反应时间为6h，用于复合材料表面的强化；
（2）、按质量比Ti粉∶NH4Cl∶Al2O3=80∶3∶17，将Ti粉、NH4Cl、Al2O3粉放置于球磨罐中，球磨45min得到混合粉末；
（3）、用步骤（2）所得混合粉末包埋步骤（1）处理过的C/C-SiC复合材料，在真空1200℃下反应4h，之后自然降温冷却即可。
实施例2
一种C/C-SiC复合材料（来源同实施例1）的表面处理方法，其表面处理步骤如下：
（1）、先在1100℃高纯氮气（纯度≥99.999%）条件下处理经过渗硅得到的C/C-SiC复合材料，反应时间为5.5h，用于复合材料表面的强化；
（2）、按质量比Ti粉∶NH4Cl∶Al2O3=85∶3∶12，将Ti粉、NH4Cl、Al2O3粉放置于球磨罐中，球磨60min得到混合粉末；
（3）、用步骤（2）所得混合粉末包埋步骤（1）处理过的C/C-SiC复合材料，在真空1300℃下反应3h，之后自然降温冷却即可。
实施例3
一种C/C-SiC复合材料（来源同实施例1）的表面处理方法，其表面处理步骤如下：
（1）、先在950℃高纯氮气（纯度≥99.999%）条件下处理经过渗硅得到的C/C-SiC复合材料，反应时间为5h，用于复合材料表面的强化；
（2）、按质量比Ti粉∶NH4Cl∶Al2O3=75∶3∶22，将Ti粉、NH4Cl、Al2O3粉放置于球磨罐中，球磨30min得到混合粉末；
（3）、用步骤（2）所得混合粉末包埋步骤（1）处理过的C/C-SiC复合材料，在真空1250℃下反应5h，之后自然降温冷却即可。
C/C-SiC复合材料在表面处理前后的残余硅含量以及性能数据，见下表。
从上表可知：本发明的表面处理方法，不仅降低了C/C-SiC复合材料的残余硅含量，还实现了C/C-SiC复合材料力学性能的提升。
Claims (4)
1.一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面处理方法，其特征在于，所述碳纤维增强陶瓷基复合材料为经过熔融渗硅致密化处理制备得到的碳纤维增强陶瓷基复合材料，其表面处理步骤如下：
（1）、先在950~1100℃高纯氮气条件下处理碳纤维增强陶瓷基复合材料；所述碳纤维增强陶瓷基复合材料为C/C-SiC复合材料；
（2）、将Ti粉、NH4Cl、Al2O3粉混合均匀得到混合粉末；
（3）、用步骤（2）所得混合粉末包埋步骤（1）处理过的碳纤维增强陶瓷基复合材料，在真空1200~1300℃下反应3~5h，之后自然降温冷却即可。
2.如权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于：步骤（1）中，高纯氮气处理的时间为5~6h。
3.如权利要求1或2所述的表面处理方法，其特征在于：所述高纯氮气的纯度≥99.999%。
4.如权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于：步骤（2）中，所述Ti粉、NH4Cl、Al2O3的质量比为（75~85）∶3∶（12~22）；将三者放置于球磨罐中，球磨0.5~1h得到混合粉末。
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