CN112409009A - 一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法 - Google Patents

一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112409009A
CN112409009A CN202011240090.3A CN202011240090A CN112409009A CN 112409009 A CN112409009 A CN 112409009A CN 202011240090 A CN202011240090 A CN 202011240090A CN 112409009 A CN112409009 A CN 112409009A
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite material
impregnation
impregnant
blank
thermostructural
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.)
Granted
Application number
CN202011240090.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112409009B (zh
Inventor
李军平
张国兵
孙新
龚晓冬
梅敏
张震
刘宏瑞
房金铭
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.)
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Original Assignee
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
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 Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology filed Critical Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority to CN202011240090.3A priority Critical patent/CN112409009B/zh
Publication of CN112409009A publication Critical patent/CN112409009A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112409009B publication Critical patent/CN112409009B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C04B35/83—Carbon fibres in a carbon matrix
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/524—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from polymer precursors, e.g. glass-like carbon material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3804—Borides
    • C04B2235/3813—Refractory metal borides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3817—Carbides
    • C04B2235/3821—Boron carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3817—Carbides
    • C04B2235/3826—Silicon carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3817—Carbides
    • C04B2235/3839—Refractory metal carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/48—Organic compounds becoming part of a ceramic after heat treatment, e.g. carbonising phenol resins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/48—Organic compounds becoming part of a ceramic after heat treatment, e.g. carbonising phenol resins
    • C04B2235/483—Si-containing organic compounds, e.g. silicone resins, (poly)silanes, (poly)siloxanes or (poly)silazanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/524—Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5244—Silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/524—Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5248—Carbon, e.g. graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5436—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof micrometer sized, i.e. from 1 to 100 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5445—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof submicron sized, i.e. from 0,1 to 1 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/75—Products with a concentration gradient
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9669—Resistance against chemicals, e.g. against molten glass or molten salts
    • C04B2235/9684—Oxidation resistance
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/40—Weight reduction

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

本发明提供了一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法，属于复合材料技术领域。本发明基于液相浸渍和原位转化工艺，在热结构复合材料完成织物骨架定型和前期致密化基础上，通过在主体浸渍剂中引入抗氧化功能组元，实现了热结构复合材料后期浸渍与涂层一体化制备，在完成复合材料浸渍增密的同时，显著提高了复合材料的抗氧化性能。同时，通过调控不同轮次抗氧化组元的成分及含量，可以获得抗氧化组元可调可控、并呈梯度分布的热结构复合材料，且所形成的表面抗氧化涂层与内部基体无明显的界面，“扎钉”现象明显，结合力强，且与本体热匹配性好。

Description

一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性 能的方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法。
背景技术
进入二十一世纪以来，以HTV-2、X-51A、HyFly等为代表的临近空间高超声速飞行器研制“热浪”席卷全球。其中，热结构复合材料作为关系飞行器性能高低与飞行成败的关键材料，受到了国内外材料研究人员的广泛关注。目前，常用的热结构复合材料有碳/碳复合材料、碳/碳化硅复合材料及碳化硅/碳化硅复合材料三种。由于纤维或基体本身为碳或含一定量的碳组元，上述材料在高温有氧环境下将发生一定的氧化反应，导致热结构材料的性能下降。因此，热结构复合材料在使用前一般需要先进行抗氧化处理，常规的做法是在致密化的热结构复合材料表面制备具有一定厚度及功能的高温抗氧化涂层。但是，由于抗氧化涂层与热结构复合材料热膨胀系数的差异以及相互间的结合力问题，导致抗氧化涂层的可靠性及稳定性较差，且应用温度及功能受到很大局限，最终限制了其工程应用。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法，基于液相浸渍和原位转化工艺，在热结构复合材料完成织物骨架定型和前期致密化基础上，通过在主体浸渍剂中引入抗氧化功能组元，实现了热结构复合材料后期浸渍与涂层一体化制备，在完成复合材料浸渍增密的同时，显著提高了复合材料的抗氧化性能。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法，包括以下步骤：
步骤1，按照热结构复合材料的设计尺寸，采用耐高温无机纤维制备纤维预制体；
步骤2，采用碳基浸渍剂或陶瓷基浸渍剂，通过多轮次循环浸渍/裂解工艺，实施热结构复合材料骨架定型及前期致密化，获得密度为1.4～1.8g/cm3、具有孔隙的中间状态热结构复合材料毛坯；
步骤3，将中间状态热结构复合材料毛坯在1200～2000℃下进行高温处理；
步骤4，在浸渍剂中加入抗氧化功能组元，将含抗氧化功能组元的浸渍剂通过真空/压力组合浸渍方式浸入热结构复合材料毛坯的孔隙中，浸渍结束后从浸渍剂中取出热结构复合材料毛坯，并对毛坯表面的残留胶液进行清理和涂覆，使毛坯表面形成一薄层均匀连续的胶层；
步骤5，将完成浸渍及涂覆的热结构复合材料毛坯先在室温下表干，然后在80～240℃、0.1～3MPa下处理4～20h，实施热结构复合材料毛坯内部及表面浸渍剂的原位固化；
步骤6，将完成浸渍、原位固化的热结构复合材料毛坯装入仿形石墨维型工装中，之后装入热处理设备中，在600～1400℃下处理4～30h，实施浸渍剂的高温裂解；
步骤7，重复步骤4～步骤6至相邻两次增重率小于1wt％，最终得到浸渍增密与表面涂层一体化完成的热结构复合材料。
根据本发明提供的一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法，具有以下有益效果：
本发明基于液相浸渍和原位转化工艺，在热结构复合材料完成织物骨架定型和前期致密化基础上，通过在主体浸渍剂中引入抗氧化功能组元，实现了热结构复合材料后期浸渍与涂层一体化制备，在完成复合材料浸渍增密的同时，显著提高了复合材料的抗氧化性能。同时，通过调控不同轮次抗氧化功能组元的成分及含量，可以获得抗氧化功能组元可调可控、并呈梯度分布的热结构复合材料，且所形成的表面抗氧化涂层与内部基体无明显的界面，“扎钉”现象明显，结合力强，且与本体热匹配性好。该方法还具有适用性广、制造周期短、成本低等显著特点。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明提供了一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法，包括如下步骤：
步骤1，按照热结构复合材料的设计尺寸制备纤维预制体。纤维可选用炭纤维、碳化硅纤维等多种耐1200～2000℃高温无机纤维，预制体结构可为二维铺层缝合结构、针刺结构、2.5D结构等多种结构形式，具体结构参数及纤维铺叠方式依据力学性能指标及使用环境温度等要求确定。
步骤2，骨架定型及前期致密化。在制得纤维预制体后，采用酚醛树脂、沥青等碳基浸渍剂，或聚碳硅烷、SiBCN等陶瓷基浸渍剂，通过3～6轮次循环浸渍/裂解工艺，并借助仿形精密成型工装及复合防变形工装，实现热结构复合材料骨架定型及前期致密化，获得密度为1.4～1.8g/cm3、具有孔隙的中间状态热结构复合材料毛坯。
该步骤中，复合材料毛坯的密度为1.4～1.8g/cm3，浸渍/裂解工艺循环为3～6轮次。这主要是考虑不同浸渍剂的转化率和真密度不同，在孔隙率一定的情况下，高转化率的浸渍剂所需循环轮次少，较低转化率的浸渍剂所需轮次多，同时真密度高的浸渍剂所得复合材料毛坯的密度较高，真密度低的浸渍剂所得复合材料毛坯的密度较低。
步骤3，高温处理。将完成前期致密化及骨架定型的中间状态热结构复合材料毛坯装入热处理炉中，在1200～2000℃条件下进行高温处理，实现热结构复合材料基体组元的微结构优化及稳定化，并为复合材料的后期浸渍致密化提供开孔及通道。
步骤4，热结构复合材料毛坯的型面尺寸检测及加工。对中间状态热结构复合材料毛坯的型面轮廓及厚度尺寸进行检测，并对不符合设计尺寸的区域进行加工，最终获得满足设计尺寸的半致密化热结构复合材料毛坯。
步骤5，浸渍及涂覆热结构复合材料毛坯。
配制含有抗氧化功能组元的浸渍剂。在浸渍剂中引入具有优良抗氧化性能的微细无机组元(B2O3、B4C、Si、SiC、SiO2、Al2O3、ZrC、ZrO2、HfB2等含硼/硅/铝/锆/铪等元素的单质、碳化物、硼化物及氧化物)，并进行充分的混合和均匀分散，同时，通过溶剂或特殊助剂对浸渍剂粘度进行调配，满足后期致密化阶段的均匀浸渍需求。
将含抗氧化功能组元的浸渍剂通过真空/压力组合浸渍方式浸入热结构复合材料毛坯的孔隙中，浸渍结束后从浸渍剂中取出热结构复合材料毛坯，并对毛坯表面的残留胶液进行清理和涂覆，使毛坯表面形成一薄层均匀连续的保护胶层，经后续固化步骤，在热结构复合材料表面原位形成一薄层均匀的抗氧化涂层。
该步骤中，抗氧化功能组元的含量和粒径要适中，抗氧化功能组元的含量太小，则对复合材料的抗氧化效果提升不明显，抗氧化功能组元的粒径过大，则对应浸渍剂难以分散均匀，且易在材料表面结壳和脱落，粒径过小及含量太多也会对浸渍剂的粘度和粘结性造成不利影响。因此，结合相关研究结果和经验，确定抗氧化功能组元比较适宜的含量范围为2～20wt％，粒径范围为0.2～5μm。
该步骤中，添加的抗氧化功能组元成分可依据应用温度及功能进行选配，满足不同应用环境对热结构复合材料的差别化需求。
步骤6，原位固化。将完成浸渍及涂覆的热结构复合材料毛坯先在室温下表干2～6h，之后在复合防变形工装辅助维型下装入烘箱或固化罐中，在80～240℃及0.1～3MPa下处理4～20h，实现热结构复合材料毛坯内部及表面浸渍剂的原位固化。
步骤7，浸渍相高温裂解。将完成浸渍、原位固化的热结构复合材料毛坯装入仿形石墨维型工装中，之后装入热处理设备中，在600～1400℃下处理4～30h，实现浸渍剂的高温裂解，生成含一定抗氧化功能组元的热结构复合材料基体。
步骤8，含抗氧化功能组元浸渍剂多轮循环浸渍/裂解增密。重复步骤5～步骤7至相邻两次增重率小于1wt％，最终得到浸渍增密与表面涂层一体化完成的热结构复合材料。
该步骤中，步骤5～步骤7的重复次数为2～6次。
该步骤中，浸渍所用的浸渍剂中添加的抗氧化功能组元含量随着浸渍轮次增加而递增，实现梯度分布，减少涂层与基体间的热失配。
实施例
实施例1
预先制备二维铺层结构炭纤维增强体，在仿形精密成型工装夹持情况下，采用酚醛树脂浸渍剂，通过真空/压力循环浸渍及碳化4次，获得密度为1.5g/cm3的C/C中间状态热结构复合材料毛坯，之后通过2000℃高温处理及轮廓加工后，继续采用含有B4C、Si、SiC抗氧化功能组元(粒径0.5μm)的酚醛树脂浸渍剂进行4轮次的循环浸渍/涂覆、原位固化处理(室温下表干4h，之后在防变形工装辅助维型下装入固化罐中，在200℃及2MPa下处理6h)、高温裂解(在1400℃下处理20h)，并逐次增加B4C、Si及SiC组元含量(含量依次为3％、7％、11％、15％)，最终获得了含B4C/SiC梯度抗氧化涂层的C/C热结构复合材料。相比纯酚醛树脂浸渍/碳化所得致密C/C复合材料，含B4C/SiC梯度抗氧化涂层的C/C复合材料，在1000℃，30min氧化环境下的失重率降低100％。
实施例2
预先制备针刺结构的炭纤维增强体，在仿形精密成型工装夹持情况下，采用聚碳硅烷前驱体浸渍剂，通过真空/压力循环浸渍及裂解5次，获得密度为1.7g/cm3的C/SiC中间状态热结构复合材料毛坯，之后通过1500℃高温处理及轮廓加工后，继续采用含有Zr及B2O3抗氧化功能组元(粒径2μm)的聚碳硅烷前驱体浸渍剂进行3轮次的循环浸渍/涂覆、原位固化处理(室温下表干5h，之后在防变形工装辅助维型下装入固化罐中，在160℃及3MPa下处理8h)、高温裂解(在1200℃下处理15h)，并逐次增加Zr及B2O3组元含量(含量依次为4％、10％、16％)，最终获得了含ZrC/B4C梯度抗氧化涂层的C/SiC热结构复合材料。相比纯聚碳硅烷浸渍/碳化所得致密C/SiC复合材料，含ZrC/B4C梯度抗氧化涂层的C/SiC复合材料，在1600℃，30min氧化环境下的失重率降低60％。
实施例3
预先制备二维铺层结构碳化硅纤维增强体，在仿形精密成型工装夹持情况下，采用聚碳硅烷前驱体浸渍剂，通过真空/压力循环浸渍及裂解3次，获得密度为1.6g/cm3的SiC/SiC中间状态热结构复合材料毛坯，之后通过1300℃高温处理及轮廓加工后，继续采用含有Si、B4C及ZrO2抗氧化功能组元(粒径1μm)的聚碳硅烷前驱体浸渍剂进行6轮次的循环浸渍/涂覆、原位固化处理(室温下表干3h，之后在防变形工装辅助维型下装入固化罐中，在240℃及2MPa下处理6h)、高温裂解(在1300℃下处理10h)，并逐次增加Si、B4C及ZrO2组元含量(含量依次为2％、4％、6％、8％、10％、12％)，最终获得了含ZrC/ZrB2/B4C梯度抗氧化涂层的SiC/SiC热结构复合材料。相比纯聚碳硅烷浸渍/裂解所得致密SiC/SiC复合材料，含ZrC/ZrB2/B4C梯度抗氧化涂层的SiC/SiC复合材料，在1400℃，30min氧化环境下的失重率降低80％。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照热结构复合材料的设计尺寸，采用耐高温无机纤维制备纤维预制体；
步骤2，采用碳基浸渍剂或陶瓷基浸渍剂，通过多轮次循环浸渍/裂解工艺，实施热结构复合材料骨架定型及前期致密化，获得密度为1.4～1.8g/cm3、具有孔隙的中间状态热结构复合材料毛坯；
步骤3，将中间状态热结构复合材料毛坯在1200～2000℃下进行高温处理；
步骤4，在浸渍剂中加入抗氧化功能组元，将含抗氧化功能组元的浸渍剂通过真空/压力组合浸渍方式浸入热结构复合材料毛坯的孔隙中，浸渍结束后从浸渍剂中取出热结构复合材料毛坯，并对毛坯表面的残留胶液进行清理和涂覆，使毛坯表面形成一薄层均匀连续的胶层；
步骤5，将完成浸渍及涂覆的热结构复合材料毛坯先在室温下表干，然后在80～240℃、0.1～3MPa下处理4～20h，实施热结构复合材料毛坯内部及表面浸渍剂的原位固化；
步骤6，将完成浸渍、原位固化的热结构复合材料毛坯装入仿形石墨维型工装中，之后装入热处理设备中，在600～1400℃下处理4～30h，实施浸渍剂的高温裂解；
步骤7，重复步骤4～步骤6至相邻两次增重率小于1wt％，最终得到浸渍增密与表面涂层一体化完成的热结构复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，浸渍/裂解工艺循环3～6轮次。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，高温处理后，还包括对中间状态热结构复合材料毛坯的型面轮廓及厚度尺寸进行检测并对不符合设计尺寸的区域进行加工。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述抗氧化功能组元选自含硼/硅/铝/锆/铪元素的单质、碳化物、硼化物及氧化物。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述抗氧化功能组元的粒径为0.2～5μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述抗氧化功能组元的含量为2～20wt％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤7中，步骤4～步骤6的重复次数为2～6次。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤7中，浸渍剂中添加的抗氧化功能组元含量随着浸渍轮次增加而递增。
CN202011240090.3A 2020-11-09 2020-11-09 一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法 Active CN112409009B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011240090.3A CN112409009B (zh) 2020-11-09 2020-11-09 一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011240090.3A CN112409009B (zh) 2020-11-09 2020-11-09 一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112409009A true CN112409009A (zh) 2021-02-26
CN112409009B CN112409009B (zh) 2022-08-12

Family

ID=74780813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011240090.3A Active CN112409009B (zh) 2020-11-09 2020-11-09 一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112409009B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114455968A (zh) * 2022-02-10 2022-05-10 航天材料及工艺研究所 一种C/SiC-SiO2复合材料及其制备方法
CN115141028A (zh) * 2022-05-29 2022-10-04 西北工业大学 基于凝胶注模预强化制备碳化硅基复合材料整体涡轮盘的方法
CN115974570A (zh) * 2022-12-04 2023-04-18 航天材料及工艺研究所 一种陶瓷/树脂杂化基体复合材料薄壁构件制备方法
CN117285371A (zh) * 2023-11-23 2023-12-26 北京天仁道和新材料有限公司 一种超高温陶瓷基复合材料及其制备方法与应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101863665A (zh) * 2009-04-15 2010-10-20 中国科学院上海硅酸盐研究所 自愈合抗氧化功能纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法
CN103387405A (zh) * 2013-07-10 2013-11-13 航天材料及工艺研究所 一种碳化硅/碳化硅复合材料构件的制备方法
WO2015183369A2 (en) * 2014-03-27 2015-12-03 Blue Cube Ip Llc Process for fabricating carbon-carbon composites
CN107353025A (zh) * 2017-06-27 2017-11-17 中航复合材料有限责任公司 一种耐1200℃抗氧化的陶瓷基复合材料的制备方法
CN110627514A (zh) * 2019-10-30 2019-12-31 航天特种材料及工艺技术研究所 一种C/SiC-HfB2复合材料及其制备方法
CN110642634A (zh) * 2019-10-30 2020-01-03 航天特种材料及工艺技术研究所 一种C/SiC-ZrB2复合材料及其制备方法
CN110835273A (zh) * 2019-11-29 2020-02-25 航天特种材料及工艺技术研究所 一种在C/SiC复合材料上制备陶瓷防护层的方法以及由此制得的陶瓷防护层

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101863665A (zh) * 2009-04-15 2010-10-20 中国科学院上海硅酸盐研究所 自愈合抗氧化功能纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法
CN103387405A (zh) * 2013-07-10 2013-11-13 航天材料及工艺研究所 一种碳化硅/碳化硅复合材料构件的制备方法
WO2015183369A2 (en) * 2014-03-27 2015-12-03 Blue Cube Ip Llc Process for fabricating carbon-carbon composites
CN107353025A (zh) * 2017-06-27 2017-11-17 中航复合材料有限责任公司 一种耐1200℃抗氧化的陶瓷基复合材料的制备方法
CN110627514A (zh) * 2019-10-30 2019-12-31 航天特种材料及工艺技术研究所 一种C/SiC-HfB2复合材料及其制备方法
CN110642634A (zh) * 2019-10-30 2020-01-03 航天特种材料及工艺技术研究所 一种C/SiC-ZrB2复合材料及其制备方法
CN110835273A (zh) * 2019-11-29 2020-02-25 航天特种材料及工艺技术研究所 一种在C/SiC复合材料上制备陶瓷防护层的方法以及由此制得的陶瓷防护层

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
魏炜等: "炭/炭复合材料抗氧化研究现状", 《炭素技术》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114455968A (zh) * 2022-02-10 2022-05-10 航天材料及工艺研究所 一种C/SiC-SiO2复合材料及其制备方法
CN114455968B (zh) * 2022-02-10 2023-08-29 航天材料及工艺研究所 一种C/SiC-SiO2复合材料及其制备方法
CN115141028A (zh) * 2022-05-29 2022-10-04 西北工业大学 基于凝胶注模预强化制备碳化硅基复合材料整体涡轮盘的方法
CN115141028B (zh) * 2022-05-29 2023-08-29 西北工业大学 基于凝胶注模预强化制备碳化硅基复合材料整体涡轮盘的方法
CN115974570A (zh) * 2022-12-04 2023-04-18 航天材料及工艺研究所 一种陶瓷/树脂杂化基体复合材料薄壁构件制备方法
CN115974570B (zh) * 2022-12-04 2024-02-13 航天材料及工艺研究所 一种陶瓷/树脂杂化基体复合材料薄壁构件制备方法
CN117285371A (zh) * 2023-11-23 2023-12-26 北京天仁道和新材料有限公司 一种超高温陶瓷基复合材料及其制备方法与应用
CN117285371B (zh) * 2023-11-23 2024-03-01 北京天仁道和新材料有限公司 一种超高温陶瓷基复合材料及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN112409009B (zh) 2022-08-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112409009B (zh) 一种基于液相浸渍和原位转化提高热结构复合材料抗氧化性能的方法
CN107353025B (zh) 一种耐1200℃抗氧化的陶瓷基复合材料的制备方法
JP6859441B2 (ja) Ｃ／Ｃ−ＳｉＣ複合材料部品の製造方法及びその製品
CN110028330B (zh) 一种陶瓷基复合材料及其制备方法
CN110330351B (zh) 一种SiC纤维增强SiC陶瓷基零件的制备方法及产品
CN105924199B (zh) 一种低成本碳/碳复合材料的快速制备方法
CN111996473B (zh) 一种变结构超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
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
US8529995B2 (en) Method for producing parts made of a thermostructural composite material
CN110835273B (zh) 一种在C/SiC复合材料上制备陶瓷防护层的方法以及由此制得的陶瓷防护层
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
CN114920565A (zh) 一种粘结剂喷射打印碳化硅陶瓷复合材料的制造方法
CN111825471B (zh) 一种电泳沉积制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的方法
CN112409003B (zh) 一种杂化基体碳化硅基复合材料及其制备方法
CN109265187A (zh) 一种Cf/HfC-TaC-C复合材料及其制备方法
CN107986807B (zh) 长时间抗氧化Cf/C-SiBCN复合材料的制备方法
CN107556011A (zh) SiCf/SiC复合材料及其制备方法
CN108484173B (zh) SiCf/SiC复合材料及其制备方法
CN112645725B (zh) 一种带有台阶结构的陶瓷基复合材料构件及其制备方法
CN111070726A (zh) 纤维增强SiC基复合材料加筋承热结构的整体成型方法
CN112645723A (zh) 一种颗粒增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法
CN108947556B (zh) 一种基于单向带工艺的碳碳复合材料制备方法
CN113526972A (zh) 一种抗强烧蚀的稀土改性超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
CN113666765A (zh) 一种连续纤维增强高熵陶瓷基复合材料及其制备方法
CN108530104A (zh) Pip结合原位生长石墨烯/氮化硼纳米管陶瓷基复合材料致密化方法

Legal Events

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