CN109704797A - 一种短切碳纤维增强Cf/SiC复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短切碳纤维增强C_f/SiC复合材料的制备方法，包括：将短切碳纤维、碳化硅粉、分散剂及粘结剂与水混合，得到浆料；将所述浆料经注浆成型得到素坯；将所述素坯在真空条件下于800‑1200℃热处理0.5‑2小时，得到预制体；以及将所述预制体用硅粉包埋，在真空条件下于1450‑1700℃烧结0.5‑2小时，得到所述短切碳纤维增强碳化硅基复合材料。

Description

一种短切碳纤维增强Cf/SiC复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维增强碳化硅基复合材料领域，具体涉及一种短切碳纤维增强C_f/SiC复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强碳化硅基复合材料(C_f/SiC复合材料)具有独特的裂纹偏转、纤维拔出、纤维脱粘等能量耗散机制，使其表现出类似金属的非灾难性破坏特征，从而大幅提高其在工程应用领域的可靠性。另外，C_f/SiC复合材料结合了SiC陶瓷和碳纤维的耐高温、耐腐蚀、高比刚度、高热导、低密度等优点，作为高温结构材料被广泛应用于航空航天、军事、能源等领域。而其中短切碳纤维增强碳化硅基复合材料(C_f/SiC复合材料)与长碳纤维增强碳化硅基复合材料相比，C_f/SiC复合材料制备简便且能够满足其性能的各向同性。

C_f/SiC复合材料的近净尺寸制备工艺过程包括浆料的配制，坯体成型以及致密化烧结。近净尺寸坯体成型方式主要包括注浆成型法和凝胶注模成型法，而凝胶注模成型法不能满足部件对复杂形状成型的要求，且凝胶注模成型法所用添加剂毒性较大，安全性低且不环保，因此采用更为简单易操作的且安全性高的注浆成型方式。能满足C_f/SiC复合材料致密化的烧结工艺主要有热压烧结法(HP)、放电等离子体烧结法(SPS)和反应烧结法(RS)。但热压烧结法烧结温度高，且过高的压力将会影响短切碳纤维在C_f/SiC复合材料中的分布，影响C_f/SiC复合材料的性能的各向同性，过高的压力也会对短切碳纤维造成伤害。放电等离子体烧结法能得到致密的C_f/SiC复合材料，但是其烧结方式不能满足复杂形状的C_f/SiC复合材料，因此也不满足于实际需求。

发明内容

本发明针对于现有C_f/SiC复合材料制备技术的不足，提供一种高性能的C_f/SiC复合材料及其制备方法。

在此，一方面，本发明提供一种短切碳纤维增强碳化硅基复合材料的制备方法，包括：

将短切碳纤维、碳化硅粉、分散剂及粘结剂与水混合，得到浆料；

将所述浆料经注浆成型得到素坯；

将所述素坯在真空条件下于800-1200℃热处理0.5-2小时，得到预制体；以及

将所述预制体用硅粉包埋，在真空条件下于1450-1700℃烧结0.5-2小时，得到所述短切碳纤维增强碳化硅基复合材料。

针对于现有的短切碳纤维增强碳化硅基复合材料(C_f/SiC复合材料)的凝胶注模成型方式的毒性大的问题，热压烧结法及放电等离子体烧结法的压力影响、不能复杂形状成型等问题，本发明中采用短切碳纤维、碳化硅粉等为原材料通过混料、注浆成型、脱粘、反应烧结等工艺过程，将坯体进行熔融硅渗透，同时进行反应烧结，得到所述成本低廉、性能优异的C_f/SiC复合材料。将注浆成型与反应烧结结合，制备C_f/SiC复合材料。以短切碳纤维为增强相，充分发挥碳纤维的增强增韧效果，得到短切碳纤维均匀分散的浆料；采用注浆成型的成型方式，得到所需求的各种复杂形状的样品，满足大尺寸成型的要求；将坯体进行熔融硅渗透，同时进行反应烧结，得到所述成本低廉、性能优异的C_f/SiC复合材料。而且，采用反应烧结法能够实现低温烧结，致密度高以及满足形状复杂构件烧结的要求。制备的C_f/SiC复合材料具有优异的力学、抗氧化、摩擦磨损等性能，致密度高，密度低，性能因短切碳纤维的引入而呈现出各向同性，能够满足大尺寸、复杂形状成型、近净尺寸成型等要求，可应用于航空航天等领域。

所述短切碳纤维的含量可以为所述浆料的30vol％-45vol％。

所述浆料的固含量可以为≥65wt％，优选为65-75wt％。

所述分散剂可选用四甲基氢氧化铵、聚甲基丙烯酸铵、聚乙二醇、聚乙烯亚胺中的至少一种。

所述分散剂的含量可以为所述浆料的0.1wt％-0.5wt％。

所述粘结剂可选用聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种。

优选的，所述粘结剂选用含量为所述浆料的2.0wt％-5.0wt％的聚乙烯吡咯烷酮、含量为所述浆料的0.1wt％-1.0wt％的聚乙烯醇、含量为所述浆料的0.1wt％-1.0wt％的聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种。

较佳地，所述粘结剂的含量可以为所述浆料的0.1wt％-6.0wt％，优选0.1wt％-5.0wt％。

较佳地，所述短切碳纤维为的长度为20-200μm，直径为5-8μm。采用该尺寸的短切碳纤维作为增强相具有实现碳纤维的均匀分散，使得制备出的C_f/SiC复合材料的性能均匀的优点。

所述热处理的温度可以为800-1200℃，优选900-1200℃，升温速率为1-5℃/分钟。

较佳地，所述烧结的温度为1450-1700℃，升温速率为2-10℃/分钟。

较佳地，所述预制体的密度为1.1g/cm³-1.4g/cm³。

所述碳化硅粉的粒径可以为0.5-50μm。

可以在所述烧结结束后，在惰性气氛下随炉冷却至室温。惰性气氛可以为氩气或氮气。

另一方面，本发明还提供由上述制备方法制备得到的短切碳纤维增强碳化硅基复合材料。制备的短切碳纤维增强碳化硅基复合材料的弯曲强度可为200MPa-500MPa，体积密度可为2.9g/cm³-3.1g/cm³。

附图说明

图1为实施例1中C_f/SiC复合材料预制体扫描电镜图像，其中短切碳纤维(以“a”表示)的长度在20-200μm，碳化硅粉(以“b”表示)的粒径约在5μm。从图中可以看出，碳纤维与碳化硅粉能够充分均匀的混合在一起；

图2为本发明一实施形态的熔融硅渗透进行反应烧结装置示意图，其中以数字“1”表示高纯石墨坩埚等容器，以数字“2”表示氮化硼涂层(该示例中氮化硼涂层的作用是防止熔融硅与反应容器也就是本文所用的高纯石墨坩埚进行反应)，以数字“3”表示工业硅粉，以数字“4”表示C_f/SiC复合材料预制体；

图3为实施例5反应烧结后C_f/SiC复合材料样品微观组织形貌扫描电镜图像，其中“d”为短切碳纤维，“e”为残余硅，“f”为碳化硅；

图4为实施例3原材料短纤维的扫描电镜图像。从图中可以看出原始碳纤维表面较为平整光滑，有些许在加工过程中产生的碳纤维碎屑存在；

图5为实施例3、4、5、7不同粒径碳化硅粉制备的复合材料的弯曲强度图。从图中可以看出，在这一组实验中，由5μm碳化硅粉制备得到的C_f/SiC复合材料的弯曲强度为386.60±40.46Mpa；

图6为实施例2复合材料的EDS图谱。从图中可以看出，复合材料由残余碳，残余硅，和由反应烧结得到的碳化硅组成，其中“l”为残余碳，“m”为残余硅，“n”为碳化硅。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明涉及一种短切碳纤维增强C_f/SiC复合材料的制备方法。所述C_f/SiC复合材料包括高度均匀分散的短切碳纤维及碳化硅基体。采用短切碳纤维、碳化硅粉、硅粉等为原材料通过湿法混料、注浆成型、脱粘(在真空条件下于800-1200℃热处理0.5-2小时)、反应烧结(用硅粉包埋，在真空条件下于1450-1700℃烧结0.5-2小时)等工艺过程制备得到上述C_f/SiC复合材料。所述C_f/SiC水基浆料的固含量为≥65wt％，优选为65wt％-75wt％，短切碳纤维材料的长度为20-200μm，直径为5-8μm，含量为C_f/SiC复合材料浆料的30％-45％，碳化硅粉的粒径为0.5-50μm。本发明制备的C_f/SiC具有致密度高，性能各向同性，大尺寸、复杂尺寸成型，净尺寸成型等优势。其优异的力学、抗氧化、摩擦磨损等性能适用于航空航天等领域。

本发明对C_f/SiC复合材料的制备工艺进行了优化，严格控制工艺参数，以实现对C_f/SiC复合材料的结构和性能的提升，实现一种大尺寸、复杂形状的力学性能优异的C_f/SiC复合材料。以下，示例性说明本发明的短切碳纤维增强C_f/SiC复合材料的制备方法。

首先，进行湿法混料。将短切碳纤维、碳化硅粉、分散剂及粘结剂与水混合，得到C_f/SiC复合材料浆料(简称“浆料”)。短切碳纤维为的长度可为20-200μm，直径可为5-8μm。采用该尺寸的短切碳纤维作为增强相具有实现碳纤维的均匀分散，使得制备出的C_f/SiC复合材料的性能均匀的优点。短切碳纤维含量可以为浆料的30vol％-45vol％。例如，浆料的固含量可以为70wt％，其中短切碳纤维含量可以为浆料的35vol％。短切碳纤维含量为浆料的30vol％-45vol％时，短切碳纤维能够充分发挥增强的效果，而且此时浆料的黏度低于1500MPa·s，适于注浆成型的过程。碳化硅粉的粒径可以为0.5-50μm，该粒径范围具有使颗粒紧密堆积，反应烧结后所述C_f/SiC复合材料的致密度高的优点。分散剂可选用四甲基氢氧化铵、聚甲基丙烯酸铵、聚乙二醇、聚乙烯亚胺等。分散剂的含量可以为浆料的0.1wt％-0.5wt％。例如，分散剂的含量可以为浆料的0.3wt％。粘结剂可选用聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛等。粘结剂的含量可以为所述浆料的0.1wt％-6.0wt％，优选0.1wt％-5.0wt％。优选地，聚乙烯吡咯烷酮的含量为所述浆料的2.0wt％-5.0wt％，聚乙烯醇及聚乙烯醇缩丁醛的含量为所述浆料的0.1wt％-1.0wt％。例如，作为粘结剂，聚乙烯吡咯烷酮的含量可以为浆料的3.0wt％；聚乙烯醇的含量可以为浆料的0.4wt％；聚乙烯醇缩丁醛的含量可以为浆料的0.6wt％。浆料的固含量可以为≥65wt％，碳纤维均匀分散，不定向排列。由于过高的固含量会使浆料的黏度急剧变高，不利于所述浆料的流动性，且过高的黏度会影响碳化硅颗粒及短切碳纤维的均匀分散，进而影响注浆成型的过程及坯体的均匀性，优选浆料的固含量为65-75wt％。例如，浆料的固含量可以为70wt％。

混合的方式可以为球磨混合。采用球磨混合的情况下，可以将短切碳纤维、碳化硅粉、去离子水、分散剂及粘结剂按一定比例放入球磨罐中，以碳化硅球为混合介质，球料比为(1-4)：1，转速设置为(200-500)r/min，混料时间为4-8小时，结束后经过滤获得浆料。在一个示例中，例如将短切碳纤维、碳化硅粉、去离子水、分散剂及粘结剂按一定比例放入球磨罐中，以碳化硅球为混合介质，球料比为2:1，转速设置为300r/min，混料时间为6小时，结束后经过滤获得浆料。

接着，将得到的浆料经注浆成型，得到C_f/SiC复合材料素坯(简称“素坯”)。可以包括：将得到的浆料置于真空环境中，所述真空环境是指环境压力小于-0.09MPa，将浆料在所述真空环境中静置0.5-2.0h，使浆料中的气体排除干净。将经过真空除气后的浆料缓缓倒入模具中，于室温下静置至浆料完全干燥，得到C_f/SiC复合材料素坯。静置时间可以为12h-24h，浆料完全干燥的标准为浆料的质量不再发生变化。模具可采用石膏模具等。

接着，进行脱粘。可以将得到的素坯在真空条件下于一定温度进行热处理，得到C_f/SiC复合材料预制体(简称“预制体”)。热处理的温度可以为800-1200℃，保温时间可以为0.5-2小时。脱粘过程中升温速率可以为1-5℃/分钟。由于热处理温度过高则热处理的过程剧烈，热处理温度过低则热处理时间需要相应延长，热处理的温度优选为900-1000℃。可以在脱粘(热处理)后，在惰性气体保护下冷却至室温，得到预制体，从而使素坯中的短切碳纤维不被氧化，且能加快降温速率。惰性气体可以为氩气或氮气。所得预制体的密度可为1.1g/cm³-1.4g/cm³，从而为后续反应烧结过程中提供充足的熔融硅渗透的孔隙。

接着，进行反应烧结。可将所得的预制体用硅粉包埋，在真空条件下于一定温度进行烧结，得到C_f/SiC复合材料。烧结的温度可以为1450-1700℃，时间可以为0.5-2小时。通过将预制体用硅粉包埋，可以使高温下的熔融硅能够充分的在素坯的毛细管力作用下渗入坯体之中。烧结的升温速率可以为2-10℃/分钟。优选的，在硅的熔点即1410℃之前可以用较高的升温速率，如5℃/分钟-10℃/分钟，在硅的熔点之后，可以用较低的升温速率，如2℃/分钟-5℃/分钟。例如可以以5℃/分钟-10℃/分钟的速率升温至1200-1400℃后再以2℃/分钟-5℃/分钟的速率升温至1450-1700℃。可以在所述烧结结束后，在惰性气氛下随炉冷却至室温，从而保护所述C_f/SiC复合材料不被氧化，且能加快降温速率。惰性气氛可以为氩气或氮气。硅粉可以采用工业硅粉。在一个示例中，可以将C_f/SiC复合材料预制体置于容器中，用硅粉将预制体包埋，然后将容器置于真空烧结炉中，在真空条件烧结，惰性气体保护下随炉冷却至室温，得到所述C_f/SiC复合材料。容器可以采用具有氮化硼涂层的高纯石墨坩埚(纯度99％以上)等石墨坩埚。

如上，示出了由短切碳纤维、碳化硅粉、分散剂、粘结剂及硅粉等通过注浆成型和反应烧结等制得C_f/SiC复合材料的制备方法。本发明的C_f/SiC复合材料采用注浆成型结合反应烧结的方式制备，满足于大尺寸、复杂形状成型、近净尺寸成型的要求，致密度高，密度低，具有优异的力学性能。本发明以短切碳纤维为增强相，充分发挥碳纤维的增强增韧效果，得到短切碳纤维均匀分散的浆料，采用注浆成型的成型方式，得到所需求的各种复杂形状的样品，满足大尺寸成型的要求。将坯体进行熔融硅渗透，同时进行反应烧结，得到所述成本低廉、性能优异的C_f/SiC复合材料。本发明制备的C_f/SiC复合材料性能优异，满足复杂形状成型要求、力学性能各向同性、致密度高、密度低，可应用于航空航天领域。

本发明有以下优点：

以短切碳纤维、碳化硅粉、工业硅粉为原料，通过注浆成型的成型方式，能够得到大尺寸、复杂形状的样品，满足不同样品的应用环境，避免样品尺寸及形状对产品的限制；

对所述C_f/SiC复合材料预制体进行反应烧结，能够满足样品低温烧结、近净尺寸成型的要求，减少对样品的后期加工，避免了后期加工对样品结构的损害。反应烧结得到的所述C_f/SiC复合材料性能优异，致密度高，密度低，性能因短切碳纤维的引入而呈现出各向同性。其优异的力学、抗氧化、摩擦磨损等性能特别适用于航空航天等领域。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

在下述实施例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均为常规试剂、常规材料以及常规仪器，均可商购获得，其中所涉及的试剂也可通过常规合成方法合成获得。

实施例1

本实施例提供一种C_f/SiC复合材料的制备方法，所述C_f/SiC复合材料以短切碳纤维、碳化硅粉及工业硅粉为主要原料结合适量分散剂及粘结剂通过注浆成型进行反应烧结得到；

包括以下步骤：

(1)湿法混料：将短切碳纤维、碳化硅粉、去离子水、分散剂及粘结剂按一定比例放入球磨罐中，其中短切碳纤维长度为20-200μm，直径7μm，含量为浆料的35vol％；碳化硅粉粒径为0.5μm，分散剂选用四甲基氢氧化铵，含量为C_f/SiC复合材料浆料的0.3wt％，粘结剂选用聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的2.0wt％。以碳化硅球为混合介质，球料比为2：1，转速设置为300转/分钟，混料时间为6小时，结束后经过滤获得浆料，浆料的固含量为70wt％；

(2)注浆成型：将经过真空除气后的浆料缓缓倒入预先准备好的模具中，于室温下静置至浆料完全干燥，得到C_f/SiC复合材料素坯；

(3)脱粘：将C_f/SiC复合材料素坯在真空条件下以2℃/min加热至800℃，保温2h，氩气气体保护下冷却至室温，得到C_f/SiC复合材料预制体，预制体的密度为1.25g/cm³；

(4)反应烧结：将C_f/SiC复合材料预制体置于石墨坩埚中，用工业硅粉将所述C_f/SiC复合材料预制体包埋，然后将石墨坩埚置于真空烧结炉中，以5℃/min加热至1400℃，进而以2℃/min加热至1650℃并保温1.0h，惰性气体保护下随炉冷却至室温，得到所述C_f/SiC复合材料。图2示出熔融硅渗透进行反应烧结装置示意图，其中以数字“1”表示高纯石墨坩埚等容器，以数字“2”表示氮化硼涂层，以数字“3”表示工业硅粉，以数字“4”表示C_f/SiC复合材料预制体。

实施例2

本实施例提供一种C_f/SiC复合材料的制备方法，所述C_f/SiC复合材料以短切碳纤维、碳化硅粉及工业硅粉为主要原料结合适量分散剂及粘结剂通过注浆成型进行反应烧结得到；

包括以下步骤：

(1)湿法混料：

将短切碳纤维、碳化硅粉、去离子水、分散剂及粘结剂按一定比例放入球磨罐中。其中，所述C_f/SiC复合材料的浆料固含量为65wt％；所述短切碳纤维长度20-200μm，直径8μm，含量为30vol％；所述碳化硅粉粒径为5μm；分散剂选用聚甲基丙烯酸铵，含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的0.1wt％；所述粘结剂选用聚乙烯醇，聚乙烯醇的含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的1.0wt％。以碳化硅球为混合介质，球料比为4:1，转速设置为500转/分钟，混料时间为4小时；

(2)注浆成型：将经过真空除气后的浆料缓缓倒入预先准备好的模具中，于室温下静置至浆料完全干燥，得到C_f/SiC复合材料素坯；

(3)脱粘：将C_f/SiC复合材料素坯在真空条件下以5℃/min加热至1200℃，保温0.5h，惰性气体保护下冷却至室温，得到C_f/SiC复合材料预制体；

(4)反应烧结：将C_f/SiC复合材料预制体置于石墨坩埚中，用工业硅粉将所述C_f/SiC复合材料预制体包埋，然后将石墨坩埚置于真空烧结炉中，以10℃/min加热至1400℃，进而以2℃/min加热至1700℃并保温0.5h，惰性气体保护下随炉冷却至室温，得到所述C_f/SiC复合材料。

实施例3

本实施例提供一种C_f/SiC复合材料的制备方法，所述C_f/SiC复合材料以短切碳纤维、碳化硅粉及工业硅粉为主要原料结合适量分散剂及粘结剂通过注浆成型进行反应烧结得到；

包括以下步骤：

(1)湿法混料：将短切碳纤维、碳化硅粉、去离子水、分散剂及粘结剂按一定比例放入球磨罐中。其中，所述C_f/SiC复合材料的浆料固含量为75wt％；其中短切碳纤维长度为20-200μm，直径5μm，含量为45vol％；碳化硅粉粒径为20μm，分散剂选用聚乙二醇，含量为C_f/SiC复合材料浆料的0.5wt％，粘结剂选用聚乙烯醇缩丁醛，聚乙烯醇缩丁醛含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的0.1wt％。以碳化硅球为混合介质，球料比为1：1，转速设置为200转/分钟，混料时间为8小时，结束后经过滤获得浆料；

(2)注浆成型：将经过真空除气后的浆料缓缓倒入预先准备好的模具中，于室温下静置至浆料完全干燥，得到C_f/SiC复合材料素坯；

(3)脱粘：将C_f/SiC复合材料素坯在真空条件下以1℃/min加热至1100℃，保温1.0h，惰性气体保护下冷却至室温，得到C_f/SiC复合材料预制体；

(4)反应烧结：将C_f/SiC复合材料预制体置于石墨坩埚中，用工业硅粉将所述C_f/SiC复合材料预制体包埋，然后将石墨坩埚置于真空烧结炉中，以8℃/min加热至1200℃，进而以5℃/min加热至1450℃并保温2h，惰性气体保护下随炉冷却至室温，得到所述C_f/SiC复合材料。

实施例4

本实施例提供一种C_f/SiC复合材料的制备方法，所述C_f/SiC复合材料以短切碳纤维、碳化硅粉及工业硅粉为主要原料结合适量分散剂及粘结剂通过注浆成型进行反应烧结得到；

包括以下步骤：

(1)湿法混料：将短切碳纤维、碳化硅粉、去离子水、分散剂及粘结剂按一定比例放入球磨罐中。其中，所述C_f/SiC复合材料的浆料固含量为70wt％；其中短切碳纤维长度为20-200μm，直径7μm，含量为40vol％；碳化硅粉粒径为50μm，分散剂选用聚乙烯亚胺，含量为C_f/SiC复合材料浆料的0.4wt％，粘结剂选用聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的4.0wt％。以碳化硅球为混合介质，球料比为2：1，转速设置为350转/分钟，混料时间为5小时，结束后经过滤获得浆料；

(2)注浆成型：将经过真空除气后的浆料缓缓倒入预先准备好的模具中，于室温下静置至浆料完全干燥，得到C_f/SiC复合材料素坯；

(3)脱粘：将C_f/SiC复合材料素坯在真空条件下以1℃/min加热至1100℃，保温1.0h，惰性气体保护下冷却至室温，得到C_f/SiC复合材料预制体；

(4)反应烧结：将C_f/SiC复合材料预制体置于石墨坩埚中，用工业硅粉将所述C_f/SiC复合材料预制体包埋，然后将石墨坩埚置于真空烧结炉中，以10℃/min加热至1200℃，进而以5℃/min加热至1550℃并保温1.5h，惰性气体保护下随炉冷却至室温，得到所述C_f/SiC复合材料。

实施例5

本实施例提供一种C_f/SiC复合材料的制备方法，所述C_f/SiC复合材料以短切碳纤维、碳化硅粉及工业硅粉为主要原料结合适量分散剂及粘结剂通过注浆成型进行反应烧结得到；

包括以下步骤：

(1)湿法混料：

将短切碳纤维、碳化硅粉、去离子水、分散剂及粘结剂按一定比例放入球磨罐中。其中，所述C_f/SiC复合材料的浆料固含量为72wt％；所述短切碳纤维长度20-200μm，直径6μm，含量为35vol％；所述碳化硅粉粒径为5μm；所述分散剂选用四甲基氢氧化铵，含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的0.2wt％；所述粘结剂选用聚乙烯醇，含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的0.6wt％。以碳化硅球为混合介质，球料比为3:1，转速设置为400转/分钟，混料时间为7小时；

(2)注浆成型：将经过真空除气后的浆料缓缓倒入预先准备好的模具中，于室温下静置至浆料完全干燥，得到C_f/SiC复合材料素坯；

(3)脱粘：将C_f/SiC复合材料素坯在真空条件下以2℃/min加热至900℃，保温2.0h，惰性气体保护下冷却至室温，得到C_f/SiC复合材料预制体；

(4)反应烧结：将C_f/SiC复合材料预制体置于石墨坩埚中，用工业硅粉将所述C_f/SiC复合材料预制体包埋，然后将石墨坩埚置于真空烧结炉中，以10℃/min加热至1400℃，进而以2℃/min加热至1500℃并保温1.8h，惰性气体保护下随炉冷却至室温，得到所述C_f/SiC复合材料。

实施例6

本实施例提供一种C_f/SiC复合材料的制备方法，所述C_f/SiC复合材料以短切碳纤维、碳化硅粉及工业硅粉为主要原料结合适量分散剂及粘结剂通过注浆成型进行反应烧结得到；

包括以下步骤：

(1)湿法混料：

将短切碳纤维、碳化硅粉、去离子水、分散剂及粘结剂按一定比例放入球磨罐中。其中，所述C_f/SiC复合材料的浆料固含量为68wt％；所述短切碳纤维长度20-200μm，直径6μm，含量为35vol％；所述碳化硅粉粒径为5μm；所述分散剂选用聚乙二醇，含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的0.2wt％；所述粘结剂选用聚乙烯醇缩丁醛，含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的0.4wt％。以碳化硅球为混合介质，球料比为4:1，转速设置为500转/分钟，混料时间为4小时；

(2)注浆成型：将经过真空除气后的浆料缓缓倒入预先准备好的模具中，于室温下静置至浆料完全干燥，得到C_f/SiC复合材料素坯；

(3)脱粘：将C_f/SiC复合材料素坯在真空条件下以4℃/min加热至1000℃，保温1.5h，惰性气体保护下冷却至室温，得到C_f/SiC复合材料预制体；

(4)反应烧结：将C_f/SiC复合材料预制体置于石墨坩埚中，用工业硅粉将所述C_f/SiC复合材料预制体包埋，然后将石墨坩埚置于真空烧结炉中，以6℃/min加热至1300℃，进而以℃/min加热至1600℃并保温1.2h，惰性气体保护下随炉冷却至室温，得到所述C_f/SiC复合材料。

实施例7

本实施例提供一种C_f/SiC复合材料的制备方法，所述C_f/SiC复合材料以短切碳纤维、碳化硅粉及工业硅粉为主要原料结合适量分散剂及粘结剂通过注浆成型进行反应烧结得到；

包括以下步骤：

(1)湿法混料：

将短切碳纤维、碳化硅粉、去离子水、分散剂及粘结剂按一定比例放入球磨罐中。其中，所述C_f/SiC复合材料的浆料固含量为70wt％；所述短切碳纤维长度20-200μm，直径7μm，含量为35vol％；所述碳化硅粉粒径为10μm；所述分散剂选用四甲基氢氧化铵，含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的0.2wt％；所述粘结剂选用聚乙烯吡咯烷酮，含量为所述C_f/SiC复合材料浆料的3wt％。以碳化硅球为混合介质，球料比为3:1，转速设置为300转/分钟，混料时间为4小时；

(2)注浆成型：将经过真空除气后的浆料缓缓倒入预先准备好的模具中，于室温下静置至浆料完全干燥，得到C_f/SiC复合材料素坯；

(3)脱粘：将C_f/SiC复合材料素坯在真空条件下以2℃/min加热至900℃，保温1.0h，惰性气体保护下冷却至室温，得到C_f/SiC复合材料预制体；

(4)反应烧结：将C_f/SiC复合材料预制体置于石墨坩埚中，用工业硅粉将所述C_f/SiC复合材料预制体包埋，然后将石墨坩埚置于真空烧结炉中，以5℃/min加热至1200℃，进而以2℃/min加热至1650℃并保温1.0h，惰性气体保护下随炉冷却至室温，得到所述C_f/SiC复合材料。

图1为实施例1中C_f/SiC复合材料预制体扫描电镜图像，其中短切碳纤维(以“a”表示)的长度在20-200μm，碳化硅粉(以“b”表示)的粒径在5μm。从图中可以看出，碳纤维与碳化硅粉能够充分均匀的混合在一起。图3为实施例5反应烧结后C_f/SiC复合材料样品微观组织形貌扫描电镜图像，其中“d”为短切碳纤维，“e”为残余硅，“f”为碳化硅。由图3可知，在反应烧结后，所述C_f/SiC复合材料达到了致密化的烧结。图4为实施例3原材料短纤维的扫描电镜图像。从图中可以看出原始碳纤维表面较为平整光滑，有些许在加工过程中产生的碳纤维碎屑存在。图5为不同粒径碳化硅粉制备的复合材料的弯曲强度图(实施例3、4、5、7)。从图中可以看出，在这一组实验中，由5μm碳化硅粉制备得到的C_f/SiC复合材料的弯曲强度为386.60±40.46Mpa。图6为实施例2复合材料的EDS图谱。从图中可以看出，复合材料由残余碳，残余硅，和由反应烧结得到的碳化硅组成。

Claims (10)

1.一种短切碳纤维增强碳化硅基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

将短切碳纤维、碳化硅粉、分散剂及粘结剂与水混合，得到浆料；

将所述浆料经注浆成型得到素坯；

将所述素坯在真空条件下于800-1200℃热处理0.5-2小时，得到预制体；以及

将所述预制体用硅粉包埋，在真空条件下于1450-1700℃烧结0.5-2小时，得到所述短切碳纤维增强碳化硅基复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述短切碳纤维的含量为所述浆料的总体积的30vol%-45vol%。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述浆料的固含量为≥65wt%，优选为65-75wt%。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂选用四甲基氢氧化铵、聚甲基丙烯酸铵、聚乙二醇、聚乙烯亚胺中的至少一种，所述分散剂的含量为所述浆料的0.1wt%-0.5wt%。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂选用聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种，所述粘结剂的含量为所述浆料的0.1wt%-6.0wt%。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述短切碳纤维为的长度为20-200μm，直径为5-8μm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为900-1200℃，升温速率为1-5℃/分钟。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的升温速率为2-10℃/分钟。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述预制体的密度为1.1g/cm³-1.4g/cm³。

10.一种由权利要求1至9中任一项所述的短切碳纤维增强碳化硅基复合材料的制备方法制备得到的短切碳纤维增强碳化硅基复合材料。