一种热压法制备热结构复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及陶瓷基复合材料技术领域，具体提供一种热压法制备连续纤维增强陶瓷基复合材料的方法。本发明专利技术的连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法包括：制备连续纤维预制体、采用热梯度化学气相沉积法制备界面相、热压法制备陶瓷基体。本发明专利技术提供的热压法制备连续纤维增强陶瓷基复合材料的方法改善了由于热压裂解时，基体原子对纤维的刻蚀程度过大，纤维的强度明显下降，以及界面层发生分解，导致材料强度随之降低的缺点，使纤维保持原有的强度，并让基体与纤维结合得相对比较紧密，进而使材料获得更高的性能。

Method for preparing thermal structure composite material by hot pressing method

The invention relates to the technical field of ceramic matrix composite material, in particular to a method for preparing continuous fiber reinforced ceramic matrix composite material by hot pressing method. The method for preparing the continuous fiber reinforced ceramic matrix composite comprises preparing a continuous fiber preform, preparing a ceramic substrate by thermal gradient chemical vapor deposition, and preparing a ceramic matrix by hot pressing. The invention provides a method of hot pressing preparation method of continuous fiber reinforced ceramic matrix composites improves the hot cracking, etching degree of fiber matrix atoms is too large, the strength of the fiber decreased significantly, and the interface layer decomposition, due to material strength decrease the defect, to maintain the original fiber strength, and make the matrix combined with fiber is relatively close, and then make the materials for higher performance.

【技术实现步骤摘要】
一种热压法制备热结构复合材料的方法
本专利技术涉及陶瓷基复合材料
，具体涉及一种热压法制备热结构复合材料的方法。
技术介绍
连续纤维增强陶瓷基复合材料具有高比强、高比模和耐磨损、耐腐蚀以及热稳定性好等优异的性能，且有比单相陶瓷高得多的断裂韧性,有效克服了对裂纹和热震的敏感性，因此被视作是优异的高温结构材料，被广泛应用于航空航天领域。在制备连续纤维增强陶瓷基复合材料的方法中，先驱体浸渍裂解法(PIP)是一种很有前途的制备方法，它具有成型工艺简便、先驱体分子可设计、成本低等特点，虽然PIP法具有以上众多优点，但是也遇到了一些问题，如先驱体在裂解时会释放大量小分子气体，产生体积收缩，在基体中留下裂纹与孔隙，如果材料中的裂纹与孔隙过多，则复合材料的性能将发生下降，此外PIP法还有制备周期长、界面控制困难等缺点；为了较好地弥补PIP存在的上述缺陷，可以通过在高温裂解过程中采用加压的方式进行处理，即使用热压法制备热结构复合材料，使留下裂纹与孔隙的尺寸和数量大大减小，同时还能提高制备效率。但是使用常规热压法制备热结构复合材料时，基体原子对纤维的刻蚀程度过大，导致纤维的强度出现明显地下降；此外，使用常规热压法时，基体与纤维之间的界面层将会发生分解，界面层过薄，这导致材料的强度进一步降低。
技术实现思路
本专利技术的要解决的问题是常规热压法制备含界面相的连续纤维增强陶瓷基复合材料时，基体原子对纤维的刻蚀程度过大，且界面层发生分解导致界面层过薄的问题，本专利技术提出一种热压法制备含界面相的连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法，通过在常规热压法的基础上预先给预制体纤维表面增加一界面层，以保护连续纤维增强陶瓷基复合材料原始纤维免于受到损伤和维持一定厚度的均匀界面层，增强材料的性能。本专利技术提供的一种热压法制备含界面相的连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法，包括：步骤1、制备连续纤维预制体：将连续纤维制备成所需的圆筒形或圆环形的连续纤维预制体；步骤2、制备界面相：采用热梯度化学气相沉积法，将所述连续纤维预制体置于化学气相沉积设备中，在所述连续纤维预制体的圆筒形或圆环形的内表面和外表面间形成一温度梯度，所述温度梯度为由所述连续纤维预制体的内表面向外表面温度递减，将先驱体气体、载气和稀释气体通入所述化学气相沉积设备中，使先驱体气体在所述连续纤维预制体的内表面和外表面间均匀裂解沉积，形成各处厚度一致的界面相；步骤3、使用热压裂解工艺制备陶瓷基体：将含界面相的连续纤维预制体放在热压炉中，在高纯氩气保护下进行加热，达到裂解温度后加压，保温保压预定时间，从而沉积陶瓷基体，形成含界面相的连续纤维增强陶瓷基复合材料。解决热压法存在的那些问题的关键在于在热压裂解前为预制体纤维表面覆上一层厚度并且十分均匀的界面层。由于热压时存在纤维损伤，直接让碳纤维处于高温的条件下会让碳纤维的性能下降，而纤维-基体间的界面可以起一个保护碳纤维的作用；此外，连续纤维增强陶瓷基复合材料纤维-基体间制备界面相还可以调节应力分布，充分发挥纤维增强和增韧作用，一定厚度的界面相有利于提高材料性能，而使用热压法制备材料的过程中，基体与纤维之间的界面层将会发生分解，界面层过薄，因此需要重新补充一定厚度界面层。但是随着界面厚度的过度加厚，界面与基体作用变强，界面传递载荷的作用被削弱，界面的脱粘作用不明显，此外太厚的界面还会导致纤维加工损伤和产生难以被后续工艺浸渍的涂层环三角地带，因此使用热压法制备材料的过程中其界面层厚度的控制十分重要，不能出现厚薄不均的界面层。采用常规气相沉积法制备界面相时，由于先驱气体由预制体外表面向内表面扩散，因此在外表面处先驱气体浓度高从而先发生沉积，内外表面沉积不均匀，对材料性能影响极大；但是由于存在外低内高的温度梯度，内表面温度高有利于先驱气体的沉积，且沉积速度较外表面速度快，一定程度上弥补了浓度上的差别，所以在内外表面均有厚度均匀的沉积，从而改善了现有技术沉积时不同位置不能够获得厚度均匀的界面相的缺点，使纤维-基体间界面相的厚度更加均匀，进而解决热压工艺存在的问题，使材料获得更高的性能。优选的，制备界面层时，所述连续纤维预制体的内表面与外表面之间的温度差不超过150℃。一般内外表面的温度差不超过150℃的范围内其对于界面的调节效果较好，若内外表面的温度差超过150℃，其内外表面界面相会因温度差异反而会有更大的差异，影响界面相的性能。优选的，所述连续纤维预制体的内表面和外表面之间的温度梯度为5℃/cm～10℃/cm。由于当前采用气相沉积法制备样品直径一般不超过20cm，故设定连续纤维预制体内外间的温度梯度5℃/cm～10℃/cm较为合适，有利于先驱气体在内表面的沉积，一定程度上弥补了浓度上的差别，在内外表面沉积的厚度较为均匀。优选的，所述化学气相沉积设备中设定所述连续纤维预制体内表面温度为950℃～1250℃。所述连续纤维预制体内表面温度设定据其原料气体的性质而定，设定所述连续纤维预制体内表面温度为950℃～1250℃，更有利于先驱体气体在连续纤维预制体内表面沉积。同时，外表面虽然由于温度梯度的存在，温度低于内表面，但温度仍高于先驱体气体的初始裂解温度，也可以发生沉积。优选的，所述步骤2的裂解沉积时间为5h～15h。先驱体气体在裂解沉积时沉积于连续纤维预制体，随时间延长，沉积量增加，界面层厚度也相应增加，使材料的强度和韧性提高。但随着时间的延长，界面层厚度过厚反而导致材料强度和韧性下降，对生产效率、能量消耗产生较大影响。因此裂解沉积时间在5h～15h较为合适。优选的，所述步骤2中，所述先驱体气体、载气和稀释气体均从靠近所述化学气相沉积设备的炉壁处通入，由所述连续纤维预制体的外表面向内表面扩散。先驱体气体、载气和稀释气体均从靠近化学气相沉积设备的炉壁处通入，设备较为简单，同时操作也减低了操作的复杂性。优选的，所述界面相为碳化硅SiC界面相、氮化硼BN界面相或裂解碳PyC界面相。SiC界面相、BN界面相或PyC界面相均可以采用本专利技术提供的方法制备，可以保证界面相在连续纤维预制体内表面和外表面厚度分布的相对一致性，可以较好的改善材料的性能。优选的，所述连续纤维预制体为由SiC纤维或碳纤维编织的二维织物、2.5维织物、三维四向织物或三维五向织物。连续纤维预制体从编织、复合到成品不发生分层，无机械加工或者仅做不伤害纤维的少量加工，保持了材料的整体性，此外，还具有净成型优点，产品的后期加工量和连接大大减少，因而经济性好，成本低。优选的，所述步骤3具体包括：真空浸渍：用有机先驱体溶液，浸渍含所述界面相的所述连续纤维预制体；烘干：将浸渍后的所述连续纤维预制体进行烘干；高温裂解：在高纯氩气下对烘干后的所述连续纤维预制体进行加热，达到裂解温度后加压，保温保压预定时间；致密化：重复所述真空浸渍、烘干及高温裂解步骤，得到含界面相的连续纤维增强陶瓷基复合材料。采用PIP法制备陶瓷基体，真空浸渍可以让预制体内部充满浸渍液，实现充分浸渍；烘干的目的为了去除杂质；有机先驱体通过高温裂解，形成陶瓷基体，并通过反复致密化后得到致密的陶瓷基体。优选的，所述陶瓷基体为SiC基体；所述有机先驱体溶液为聚碳硅烷的二甲苯溶液，其中，聚碳硅烷与二甲苯的质量比为1:0.5～2；所述真空浸渍的时间为8本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热压法制备连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：步骤1、制备连续纤维预制体：将连续纤维制备成所需的圆筒形或圆环形的连续纤维预制体；步骤2、制备界面相：采用热梯度化学气相沉积法，将所述连续纤维预制体的圆筒形或圆环形的内表面和外表面间形成一温度梯度，所述温度梯度为由所述连续纤维预制体的内表面向外表面温度递减，将先驱体气体、载气和稀释气体通入所述化学气相沉积设备中，使先驱体气体在所述连续纤维预制体的内表面和外表面间均匀裂解沉积，形成各处厚度一致的界面相；步骤3、使用热压裂解工艺制备陶瓷基体：将含界面相的连续纤维预制体放在热压炉中，在高纯氩气保护下进行加热，达到裂解温度后加压，保温保压预定时间，从而沉积陶瓷基体，形成含界面相的连续纤维增强陶瓷基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种热压法制备连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：步骤1、制备连续纤维预制体：将连续纤维制备成所需的圆筒形或圆环形的连续纤维预制体；步骤2、制备界面相：采用热梯度化学气相沉积法，将所述连续纤维预制体的圆筒形或圆环形的内表面和外表面间形成一温度梯度，所述温度梯度为由所述连续纤维预制体的内表面向外表面温度递减，将先驱体气体、载气和稀释气体通入所述化学气相沉积设备中，使先驱体气体在所述连续纤维预制体的内表面和外表面间均匀裂解沉积，形成各处厚度一致的界面相；步骤3、使用热压裂解工艺制备陶瓷基体：将含界面相的连续纤维预制体放在热压炉中，在高纯氩气保护下进行加热，达到裂解温度后加压，保温保压预定时间，从而沉积陶瓷基体，形成含界面相的连续纤维增强陶瓷基复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述连续纤维预制体的内表面与外表面之间的温度差不超过150℃。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述连续纤维预制体的内表面和外表面之间的温度梯度为5℃/cm～10℃/cm。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积设备中设定所述连续纤维预制体内表面温度为950℃～1250℃。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2的裂解沉积时间为5h～15h。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述先驱体...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，林荣，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11