C/C-SiC复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种C/C‑SiC复合材料及其制备方法和应用，C/C‑SiC复合材料包括碳纤维预制件、碳基体和碳化硅基体，所述碳基体和碳化硅基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，所述第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。制备方法包括以下步骤：(1)引入碳基体；(2)分别引入第一碳化硅基体和第二碳化硅基体。该C/C‑SiC复合材料具有组分均匀、致密度高、基体颗粒细腻、摩擦稳定性高、热导率高和力学性能优异等优点。该制备方法工艺简单，所得复合材料性能优异。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳纤维增强陶瓷基复合材料领域，尤其涉及一种C/C-SiC复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
C/C-SiC(碳陶)复合材料结合了C/C复合材料和SiC的优点，具有密度低、耐磨、摩擦系数高、制动平稳、抗腐蚀、抗氧化、耐高温、环境适应性强(如湿态下摩擦因素不衰退)和寿命长等优点，是一种较为理想的新型高性能摩擦材料。现有技术中，对于碳陶复合材料的制备步骤主要包括：(1)多孔C/C复合材料的制备，主要采用化学气相渗透(Chemical vapor infiltration，CVI)方法或先驱体浸渍-裂解(Precursor infiltration and pyrolysis，PIP)方法；(2)C/C-SiC复合材料的制备，在多孔C/C复合材料的基础上，引入SiC基体，SiC基体的引入方法有CVI法和液相渗硅(Liquid silicon infiltration，LSI)法。以上制备方法在实际应用中还存在以下问题：(1)在多孔C/C复合材料的基础上，采用CVI方法引入SiC基体时，由于CVI方法不能获得完全致密的碳陶复合材料，制得的C/C-SiC复合材料具有约10Vol％左右的孔隙率，孔隙率的存在降低了复合材料的热导率，导致得到的碳陶复合材料热导率一般小于20W/m·k，满足不了高能载刹车的使用要求(要求碳陶复合材料的热导率大于40W/m·K)；(2)在多孔C/C复合材料的基础上，采用LSI方法引入SiC基体时，虽然能获得完全致密的复合材料，但复合材料中会残留体积分数超过5％的残留Si，残留Si的硬度小于SiC，在摩擦过程中会逐步磨损掉，使得复合材料中留下凹坑，凹坑的形成会加剧刹车片的磨损，从而影响材料的使用寿命，另外，残留Si在摩擦过程中会发生氧化磨损形成熔融SiO2，产生粘着效应，降低了材料的摩擦稳定性，甚至导致刹车片粘合在一起抱死；(3)单纯采用LSI方法引入SiC基体时，由于LSI工艺的温度大于1450℃，反应得到的SiC基体颗粒尺寸大，在摩擦过程中粗颗粒的SiC会加速摩擦片的磨损，也会影响材料的使用寿命；(4)LSI法中所用液态Si的浓度高，反应初期Si与C反应速度过快且难以控制，导致制得的碳陶复合材料表面快速形成闭孔，反应后期的Si无法渗入复合材料中参与反应，碳陶复合材料的表面和内部的硅渗入量不均一，造成碳陶复合材料内外组分不均匀，使用时易开裂的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种组分均匀、致密度高、基体颗粒细腻、摩擦稳定性高、热导率高和力学性能优异的C/C-SiC复合材料，还提供一种上述C/C-SiC复合材料的制备方法及其作为摩擦材料的应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种C/C-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、碳基体和碳化硅基体，所述碳基体和碳化硅基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，所述第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。上述的C/C-SiC复合材料，优选的，所述C/C-SiC复合材料中不含残留硅。上述的C/C-SiC复合材料，优选的，所述第一碳化硅基体由化学气相渗透工艺引入。上述的C/C-SiC复合材料，优选的，所述C/C-SiC复合材料中，所述碳基体的体积分数为20％～40％，所述第一碳化硅基体的体积分数为10％～25％，所述第二碳化硅基体的体积分数为15％～25％，孔隙率为0％～5％。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种C/C-SiC复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)引入碳基体：采用化学气相渗透工艺在碳纤维立体针刺毡内沉积碳基体，得到C/C复合材料；(2)引入碳化硅基体：(2.1)采用化学气相渗透工艺在步骤(1)所得C/C复合材料中沉积碳化硅基体，得到C/C-SiC复合材料中间体；(2.2)在真空条件下，对步骤(2.1)所得C/C-SiC复合材料中间体进行气相渗硅烧结，得到C/C-SiC复合材料。上述C/C-SiC复合材料的制备方法，优选的，步骤(2)之后还包括：(3)刻蚀除硅：将步骤(2.2)所得C/C-SiC复合材料置于氢氟酸中浸泡。上述C/C-SiC复合材料的制备方法，优选的，步骤(3)之后还包括：(4)封孔：采用化学气相沉积工艺在步骤(3)经浸泡后的C/C-SiC复合材料表面沉积SiC涂层。上述C/C-SiC复合材料的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述C/C复合材料中碳基体的体积分数为30％～45％；所述步骤(2.1)中，所述C/C-SiC复合材料中间体中SiC基体的体积分数为10％～25％。上述C/C-SiC复合材料的制备方法，优选的，所述步骤(2.2)中，烧结温度为1450℃～1600℃，真空度为10Pa～100Pa，保温时间为1h～6h；所述步骤(3)中，所述浸泡时间为24h～48h；所述步骤(4)中，所述SiC涂层厚度为5μm～10μm。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的C/C-SiC复合材料或上述的C/C-SiC复合材料的制备方法所制备的C/C-SiC复合材料作为摩擦材料的应用。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的C/C-SiC复合材料，基体由C和SiC双组元基体组成。其中碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入，即渗入的气态硅与先引入的部分碳基体原位反应生成第二碳化硅基体，该第二碳化硅基体可进一步提升碳陶复合材料的致密度，进而提升复合材料的热导率及力学性能。另外，该第二碳化硅基体为多晶SiC，多晶SiC具有热导率高的优点，同时其在干/湿状态下的均具有稳定的摩擦系数，克服了C/C复合材料在湿态摩擦环境下失效的缺点，有利于保证碳陶复合材料在恶劣条件下的稳定性，拓宽了碳陶复合材料在湿态环境中的应用。2、本专利技术的C/C-SiC复合材料，碳基体由化学气相渗透工艺引入，CVI工艺一般温度低(≤1100℃)，所引入的第一碳化硅基体颗粒细腻，有助于降低碳陶摩擦片的磨损率；且CVI工艺引入的碳基体为结晶态碳，结晶态碳是一种良好的摩擦材料，结晶态的C在摩擦过程中会形成良好的摩擦膜，有利于提升材料的摩擦稳定性，且具有自润滑效果。3、进一步地，本专利技术的C/C-SiC复合材料不含残留硅，不存在粘着效应，提高了复合材料的摩擦稳定性。4、本专利技术的C/C-SiC复合材料的制备方法，先采用化学气相渗透工艺(CVI)在碳纤维立体针刺毡内引入碳基体，再采用化学气相渗透工艺(CVI)+气相渗硅烧结(GSI)的联用工艺引入碳化硅基体，解决单一工艺方法制备碳化硅基体的不足，并充分发挥各单一工艺的优势。采用CVI工艺制备的CVI碳基体具有很好的摩擦润滑作用，同时，能够很好保护碳纤维在后续渗硅烧结过程中不被损伤。联用工艺具体为：先采用CVI方法引入足够多的CVI碳化硅基体，CVI方法温度低(≤1100℃)，得到的碳化硅基体颗粒细腻，有助于降低碳陶摩擦片的磨损率；再采用气相渗硅烧结(GSI)方法，使Si在真空高温下气化，气态Si渗进C/C-SiC复合材料内部，和部分碳基体反应，得到GSI碳化硅基体，进一步提升碳陶复合材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种C/C‑SiC复合材料，包括碳纤维预制件、碳基体和碳化硅基体，其特征在于，所述碳基体和碳化硅基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，所述第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。

【技术特征摘要】
1.一种C/C-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、碳基体和碳化硅基体，其特征在于，所述碳基体和碳化硅基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述碳化硅基体包括第一碳化硅基体和第二碳化硅基体，所述第二碳化硅基体由气相渗硅烧结工艺引入。2.根据权利要求1所述的C/C-SiC复合材料，其特征在于，所述C/C-SiC复合材料中不含残留硅。3.根据权利要求2所述的C/C-SiC复合材料，其特征在于，所述第一碳化硅基体由化学气相渗透工艺引入。4.根据权利要求1～3任一项所述的C/C-SiC复合材料，其特征在于，所述C/C-SiC复合材料中，所述碳基体的体积分数为20％～40％，所述第一碳化硅基体的体积分数为10％～25％，所述第二碳化硅基体的体积分数为15％～25％，孔隙率为0％～5％。5.一种C/C-SiC复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)引入碳基体：采用化学气相渗透工艺在碳纤维立体针刺毡内沉积碳基体，得到C/C复合材料；(2)引入碳化硅基体：(2.1)采用化学气相渗透工艺在步骤(1)所得C/C复合材料中沉积碳化硅基体，得到C/C-SiC复合材料中间体；(2.2)在真空条件下，对步骤(2.1)所得C/C-SiC复合材料中间体进行气相渗硅烧结，得到C/C...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘荣军，曹英斌，傅祥博，张长瑞，袁立，王衍飞，龙宪海，贺鹏博，严春雷，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43