一種雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料，為雙層結(jié)構(gòu)，包括位于底層的連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料層和位于上層的氧化物纖維增強氧化物基復(fù)合材料層。本發(fā)明專利技術(shù)的制備方法：先采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝對連續(xù)碳纖維織物進行反復(fù)致密化，得到連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料；然后通過Z向縫合的方式將氧化物纖維織物縫合成編制件，再以Z向縫合的方式將氧化物纖維編制件與所述連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料縫合成為一個整體，得到陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體；最后對預(yù)成型體進行反復(fù)致密化，得到所述雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料。本發(fā)明專利技術(shù)的雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料既具有Cf/SiC復(fù)合材料的力學性能，又具有優(yōu)異的高溫介電性能及抗氧化性能。

Double layer structure ceramic matrix composite material and preparation method thereof

The invention discloses a double-layer structure of ceramic matrix composites, double-layer structure, including continuous carbon fiber reinforced silicon carbide composite material at the bottom of the upper layer and the oxide layer of fiber reinforced composite oxide. The preparation method of the invention: first by precursor infiltration and pyrolysis process of continuous carbon fiber fabric by repeated densification, continuous carbon fiber reinforced silicon carbide composite material; and then through the Z to suture way oxide fiber fabric sewn with synthetic series parts, Z suture way and preparation of oxide fiber the continuous carbon fiber reinforced silicon carbide composites stitched into a whole, obtaining a pre formed ceramic matrix composites; finally repeated on densification of preform, the double-layer structure of ceramic matrix composites. The double layer structure ceramic matrix composite material of the invention has the mechanical properties of the Cf/SiC composite material, and has excellent high-temperature dielectric property and oxidation resistance.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)主要涉及到陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
陶瓷材料具有高熔點、高硬度、低密度、耐磨損、抗腐蝕以及高溫穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，而作為結(jié)構(gòu)材料，單相陶瓷的韌性很差，不能承受劇烈的機械沖擊與熱沖擊，可能瞬間發(fā)生災(zāi)難性破壞，嚴重影響了其在實際中的應(yīng)用。人們在陶瓷基體中通過引入第二相來提高強度和韌性的多相材料，即陶瓷基復(fù)合材料，在各種增韌方式中以連續(xù)纖維增韌效果最為明顯，制備纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的主要方法有漿料浸漬-熱壓法、化學反應(yīng)法、熔體滲透(浸漬)法、溶膠-凝膠法、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法等方法。目前應(yīng)用最為廣泛的陶瓷基復(fù)合材料是Cf/SiC，具有高溫強度高、密度低、耐腐蝕和耐磨損性好等優(yōu)異性能。然而由于增強相碳纖維本身不耐高溫，在400℃以上氧化環(huán)境(特別是含有氧氣、水蒸氣和二氧化碳等)中極易氧化，這將引發(fā)碳纖維性能急劇下降，并最終導(dǎo)致復(fù)合材料喪失良好的力學性能，極大地限制了其在高溫環(huán)境中的應(yīng)用。為解決氧化問題，一般是采用表面涂層法對Cf/SiC復(fù)合材料進行整體抗氧化保護，可作為涂層材料主要有玻璃陶瓷體系、硅酸釔體系等。然而由于涂層與基體間存在熱膨脹系數(shù)差異，且高溫下涂層本身存在相對穩(wěn)定性問題等都會導(dǎo)致涂層開裂失效，因此Cf/SiC復(fù)合材料在高溫且富氧環(huán)境中的應(yīng)用依然受到限制。另外增強相碳纖維是電的良導(dǎo)體，不適宜作為高溫介電基板。氧化物纖維增強氧化物復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫介電性能、熱學和抗氧化性能，可以在高溫氧化環(huán)境下長時間使用，適宜作為高溫介電基板，但由于力學性能低于Cf/SiC復(fù)合材料，限制了其應(yīng)用。因此，研究一種既能耐高溫又具有良好的力學性能的復(fù)合材料是非常有必要的。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提出的技術(shù)方案為：一種雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料，為雙層結(jié)構(gòu)，包括位于底層的連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料層和位于上層的氧化物纖維增強氧化物基復(fù)合材料層。上述的陶瓷基復(fù)合材料，優(yōu)選的，所述氧化物纖維增強氧化物基復(fù)合材料包括連續(xù)石英纖維增強氧化物基復(fù)合材料、連續(xù)鋁硅酸鹽纖維增強氧化物基復(fù)合材料、連續(xù)莫來石纖維增強氧化物基復(fù)合材料或連續(xù)氧化鋁纖維增強氧化物基復(fù)合材料。作為一個總的專利技術(shù)構(gòu)思，本專利技術(shù)還提供一種上述的陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：(1)采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝對連續(xù)碳纖維織物進行反復(fù)致密化，得到連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料；(2)通過Z向縫合的方式將氧化物纖維織物縫合成編制件，再以Z向縫合的方式將氧化物纖維編制件與所述連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料縫合成為一個整體，得到陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體；(3)對步驟(2)制備得到的陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體進行反復(fù)致密化，得到雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料。上述的制備方法，優(yōu)選的，所述連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料的制備方法具體步驟為：先在連續(xù)碳纖維織物中按0.5根/cm2～2根/cm2的鑲嵌密度鑲嵌銅絲，將連續(xù)碳纖維織物制成連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料預(yù)成型體，再以聚碳硅烷和二甲苯作為先驅(qū)體浸漬溶液，以先驅(qū)體浸漬裂解工藝對所述連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料預(yù)成型體進行反復(fù)致密化，最后將致密化后的預(yù)成型體置于濃硝酸中處理12h～24h，使得銅絲被腐蝕掉，得到含有一定密度孔的連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料。上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(1)中連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料的制備方法還可以為：以聚碳硅烷和二甲苯作為先驅(qū)體浸漬溶液，以先驅(qū)體浸漬裂解工藝對連續(xù)碳纖維織物進行反復(fù)致密化，再采用機械加工的方式在致密化的連續(xù)碳纖維織物上按0.5孔/cm2～2孔/cm2的孔密度進行穿孔，得到含有一定密度孔的連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料。上述的制備方法，優(yōu)選的，所述先驅(qū)體浸漬溶液中聚碳硅烷和二甲苯的質(zhì)量配比為1：(1～1.5)。上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(3)中，反復(fù)致密化的次數(shù)為12次～15次。上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(3)中，致密化的具體過程依次包括真空浸漬、凝膠和高溫裂解。上述的制備方法，優(yōu)選的，所述真空浸漬過程是指在氧化物溶膠中真空浸漬4h～6h；所述凝膠的工藝過程為：將經(jīng)真空浸漬后的陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體放入烘箱中，以2℃/min～5℃/min的升溫速率升溫至150℃～200℃，干燥4h～6h，然后自然冷卻到室溫；所述高溫裂解的工藝過程為：將凝膠后的陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體放入裂解爐中，在真空中以5℃/min～10℃/min的升溫速率升至800℃～1200℃，保溫0.5h～1h，自然冷卻至100℃以下。上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(1)中，反復(fù)致密化的次數(shù)為12次～18次；所述先驅(qū)體浸漬裂解工藝具體過程為先將碳纖維織物置于先驅(qū)體浸漬溶液中真空浸漬4h～6h后，晾干，然后在800℃～1200℃、高純N2保護下裂解0.5h～1h。上述的制備方法，優(yōu)選的，所述連續(xù)碳纖維織物的結(jié)構(gòu)包括二維、2.5維和三維；連續(xù)碳纖維織物中纖維體積分數(shù)為35％～50％。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點在于：(1)本專利技術(shù)的雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料，底層為連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料，上層為氧化物纖維增強氧化物復(fù)合材料，上下層相互結(jié)合，使得該層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料既具有Cf/SiC復(fù)合材料的力學性能，又具有優(yōu)異的高溫介電性能及抗氧化性能。(2)本專利技術(shù)的雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料相比于多層單相陶瓷，本專利技術(shù)的雙層結(jié)構(gòu)的每一層的力學性能均優(yōu)于單相陶瓷，因而極大地提高了雙層結(jié)構(gòu)陶瓷材料的力學性能。(3)本專利技術(shù)的制備方法是采用基板穿孔結(jié)合面層二次縫合技術(shù)制備雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料，基板穿孔+面層縫合可以使得雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料有著較高的層間剪切強度，相對于鉚釘或是其他的機械結(jié)合方式具有結(jié)合能力強，且不破壞上、下兩層各自性能的優(yōu)勢。附圖說明圖1為本專利技術(shù)雙層結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本專利技術(shù)實施例1中雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料中連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅復(fù)合材料的實物圖。圖3為本專利技術(shù)實施例1中雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料中含有一定孔隙的連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅復(fù)合材料的實物圖。圖4為本專利技術(shù)實施例1中雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體實物正面圖。圖5為本專利技術(shù)實施例1中雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體的實物背面圖。圖6為本專利技術(shù)實施例1中雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的實物正面圖。圖7為本專利技術(shù)實施例1中雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的實物背面圖。圖8為本專利技術(shù)實施例1中雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的界面結(jié)合光學照片。具體實施方式為了便于理解本專利技術(shù)，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實施例對本專利技術(shù)作更全面、細致地描述，但本專利技術(shù)的保護范圍并不限于以下具體的實施例。除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本專利技術(shù)的保護范圍。除有特別說明，本專利技術(shù)中用到的各種試劑、原料均為可以從市場上購買的商品或者可以通過公知的方法制得的產(chǎn)品。實施例1：一種本專利技術(shù)的雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料，如圖1所示，包括位于底層的連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料層和位于上層的石英纖維增強氧化硅基復(fù)合材料層。本實施例的雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料，其特征在于，所述陶瓷基復(fù)合材料為雙層結(jié)構(gòu)，包括位于底層的連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料層和位于上層的氧化物纖維增強氧化物基復(fù)合材料層。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料，其特征在于，所述陶瓷基復(fù)合材料為雙層結(jié)構(gòu)，包括位于底層的連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料層和位于上層的氧化物纖維增強氧化物基復(fù)合材料層。2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷基復(fù)合材料，其特征在于，所述氧化物纖維增強氧化物基復(fù)合材料包括連續(xù)石英纖維增強氧化物基復(fù)合材料、連續(xù)鋁硅酸鹽纖維增強氧化物基復(fù)合材料、連續(xù)莫來石纖維增強氧化物基復(fù)合材料或連續(xù)氧化鋁纖維增強氧化物基復(fù)合材料。3.一種如權(quán)利要求1或2所述的陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝對連續(xù)碳纖維織物進行反復(fù)致密化，得到連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料；(2)通過Z向縫合的方式將氧化物纖維織物縫合成編制件，再以Z向縫合的方式將氧化物纖維編制件與所述連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料縫合成為一個整體，得到陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體；(3)對步驟(2)制備得到的陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體進行反復(fù)致密化，得到雙層結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料。4.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料的制備方法具體步驟為：先在連續(xù)碳纖維織物中按0.5根/cm2～2根/cm2的鑲嵌密度鑲嵌銅絲，將連續(xù)碳纖維織物制成碳纖維織物預(yù)成型體，再以聚碳硅烷和二甲苯作為先驅(qū)體浸漬溶液，以先驅(qū)體浸漬裂解工藝對所述碳纖維織物預(yù)成型體進行反復(fù)致密化，最后將致密化后的預(yù)成型體置于濃硝酸中處理12h～24h，得到含有一定密度孔的連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料。5.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中連續(xù)碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料的制備方法為：以聚碳硅烷和...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉海韜，姜如，黃文質(zhì)，
申請(專利權(quán))人：中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43