一种提高MI-SiC/SiC预制体熔融渗硅均匀性和复合材料层间结合力的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高MI

【技术实现步骤摘要】
一种提高MI
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SiC/SiC预制体熔融渗硅均匀性和复合材料层间结合力的方法


[0001]本专利技术属于陶瓷基复合材料制备
，尤其涉及一种提高MI
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SiC/SiC预制体熔融渗硅均匀性和复合材料层间结合力的方法。

技术介绍

[0002]连续纤维增强陶瓷基复合材料具有耐高温、高比强度、高比模量的突出优点，且具有类似金属的断裂特征，可靠性高，因此成为新型航空航天热结构件及核工业抗辐射构件的急需材料(沙建军，代吉祥，张兆甫，纤维增韧高温陶瓷基复合材料(C，SiC/SiC)应用研究进展，航空制造技术，2017)。
[0003]目前连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC)是耐高温性能最优异的结构材料之一。该材料的制备方法主要有以下几种(刘虎，杨金华，焦健，航空发动机用连续SiC/SiC复合材料制备工艺及应用前景，航空制造技术，2017)：化学气相渗透法(Chemical Vapor Infiltration，CVI)、熔融浸渗法(Melt Infiltration，MI)、纳米渗透瞬态共晶法(Nano
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Infiltration and Transient Eutectic，NITE)、溶胶
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凝胶法(Sol
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Gel)、先驱体浸渍裂解法(Precursor Impregnationand Pyrolysis，PIP)、CVI+PIP及NITE+PIP等组合制备工艺。
[0004]在这些技术中，MI工艺制备的SiC/SiC复合材料(MI
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SiC/SiC)具有孔隙率低、导热率高、层间剪切强度高等性能优势，且该工艺还有制备周期短、成本低的突出优点，因此已在国外应用于制造航空发动机和工业燃气轮机热端构件。
[0005]美国通用电气(GE)公司开发了单向预浸带
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熔渗(Prepreg
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MI)工艺，并发展了以为牌号的MI
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SiC/SiC复合材料产品，已经成功应用于航空发动机及工业燃气轮机的涡轮外环、燃烧室等热结构件(董绍明，胡建宝，张翔宇，SiC/SiC复合材料MI工艺制备技术，航空制造技术，2014，6)。单向预浸带
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MI工艺主要包括以下步骤：(1)首先采用化学气相沉积(CVD)技术在SiC纤维表面制备界面层；(2)将SiC粉体、碳粉体与树脂粘结剂、表面活性剂与溶剂混合，制备成陶瓷浆料，使浆料浸入带涂层的纤维束，湿法卷绕形成SiC纤维单向预浸带；(3)单向预浸带层叠后形成复合材料预制体，然后经过固化实现定型；(4)热解将树脂碳化，其它有机组分以气态排出，形成带有大量微孔的预制体，为后续渗硅提供通道；(5)最后将硅粉或硅块升温至熔融状态(＞1410℃)，液态硅在毛细管力的作用下渗入多孔的纤维预制体，硅和碳反应生成碳化硅，制备出致密的MI
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SiC/SiC复合材料。
[0006]NASA开发了浆料浇注
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熔渗(SlurryCast
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MI)工艺，并形成了多个牌号系列陶瓷基复合材料产品，如N22、N24等(董绍明，胡建宝，张翔宇，SiC/SiC复合材料MI工艺制备技术，航空制造技术，2014，6)。浆料浇注
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熔渗工艺包括以下几个步骤：(1)首先将SiC纤维布层叠成型得到复合材料预制体；(2)采用CVI技术在纤维表面制备界面层；(3)采用CVI技术在界面层表面沉积SiC保护层，以降低后续熔渗过程中熔融硅对SiC纤维和表面涂层的腐蚀；(4)将SiC粉体、树脂粘结剂、表面活性剂与溶剂混合，制备成陶瓷浆料，使浆料浸入预制体中，
然后热解将树脂碳化，其它有机组分以气态排出，形成带有大量微孔的预制体，为后续渗硅提供通道；(5)最后，将硅粉或硅块升温至熔融状态(＞1410℃)，液态硅在毛细管力的作用下渗入多孔的纤维预制体，硅和碳反应生成碳化硅，制备出致密的MI
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SiC/SiC复合材料。
[0007]在上述MI过程中，熔融硅在毛细管力作用下进入预制体内部。由于熔融硅对SiC纤维和SiC纤维表面涂层具有强烈的腐蚀性，需要严格控制渗硅条件以降低液硅对纤维和涂层的腐蚀损伤。因此，对熔融渗硅的温度和时间有严格的限制，一般为温度1410℃～1450℃，时间10min～120min。在此温度下，硅粘度较高、表面张力较大，导致其在预制体中的渗透距离有限(一般为50mm以内)。在MI过程中，液硅与基体内部的碳发生反应，生成SiC。反应式如下：
[0008]Si(l)+C(s)＝SiC(s)
[0009]生成的SiC产物会进一步阻碍液硅的渗透，使渗硅的有效距离进一步下降。因此，如何使熔融渗硅技术适应大尺寸MI
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SiC/SiC构件的制备是该技术实现工程化应用的核心问题之一。
[0010]目前MI
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SiC/SiC复合材料的研究较少涉及如何解决大尺寸构件渗硅的工程技术问题。专利CN112457027A，2020(王鹏，赵兵兵，张倩，张海昇，张晰，王言，李建章，大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件熔融渗硅工装及方法)公开了一种大尺寸圆筒构件渗硅方法，该法采用在圆筒型构件的长度方向上设置多层石墨坩埚叠加，用石墨纸将硅源与预制体相连，使预制体在长度方向上存在等间隔的多个渗硅点，以期解决液硅无法长距离渗透的问题。该技术中，渗硅的质量受到手工操作因素影响，如石墨纸与构件接触紧密性、硅料填充密度等，且需要针对不同的构件加工形状复杂的石墨坩埚，影响工艺可靠性，成本较高；此外，为了保证硅的充分渗透，该技术的渗硅温度达到1650℃，时间长达数小时，对涂层和SiC纤维产生显著的腐蚀损伤和热损伤，显著降低复合材料的力学性能。
[0011]由于液硅渗透距离有限，利用MI技术制备大尺寸MI
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SiC/SiC复合材料时，远离液态硅源的部位，往往出现局部渗硅不足的缺陷。缩短液态硅的渗透距离可以提高渗硅的均匀性，改善产品质量。通过针刺技术缩短熔融硅渗透距离，能显著改善渗硅条件，目前尚未见相关报道。
[0012]此外，MI
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SiC/SiC是由预浸料叠层制备的，导致最终复合材料的层间结合力较弱，层间拉伸强度30MPa～40MPa。当用做热端构件时，构件厚度方向上存在很大温度梯度，容易导致复合材料产生层间剪切或者拉伸失效。提高MI
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SiC/SiC复合材料的层间结合力可以显著提高构件的寿命和应用范围，各国研发人员将其列为重点解决的关键难题。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的在于提供一种提高MI
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SiC/SiC预制体熔融渗硅均匀性和复合材料层间结合力的方法，以解决上述技术问题。
[0014]本专利技术为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：
[0015]一种提高MI
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SiC/SiC预制体熔融渗硅均匀性和复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高MI
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SiC/SiC预制体熔融渗硅均匀性和复合材料层间结合力的方法，其所使用的工装包括上盖板(7)、底板(9)和若干个紧固螺栓(8)，所述上盖板(7)中部均匀开设有若干个灯芯孔，所述上盖板(7)与底板(9)四周通过若干个紧固螺栓(8)固定连接，所述上盖板(7)与底板(9)的表面均喷涂氮化硼脱模剂；其特征在于，包括如下步骤：1)将连续SiC纤维制成纤维预浸布或单向预浸带A，具体如下：在制备纤维布时，先将SiC纤维进行编织获得纤维布，制备纤维表面涂层；将带有纤维表面涂层的SiC纤维布浸泡于陶瓷浆料中，充分浸渍后取出并干燥，获得预浸布；在制备单向预浸带时，先在SiC纤维束丝上制备表面涂层，然后使纤维束连续通过陶瓷浆料池，带浆纤维束缠绕在滚筒上，形成单向预浸带；2)将纤维预浸布或单向预浸带A进行叠层成型得到预制体，利用针刺机进行针刺，刺针后碳纤维突出预制体表面，获得带有针刺阵列的预制体B；3)将B利用真空袋密封，内部持续抽真空，置于热压罐中固化，获得固化后的预制体C；4)将C在高温下惰性气氛中进行热处理，使预制体碳化，获得碳化后的预制体D；5)将D置于工装的底板(9)上，盖上上盖板(7)，突出的碳纤维阵列穿过灯芯孔，用紧固螺栓(8)将上盖板(7)与底板(9)锁紧，在上盖板(7)上表面均匀铺设硅粉(10)，覆盖突出的碳纤维阵列；6)将步骤5)制备所得试样及工装置于渗硅炉中，在真空下熔融渗硅，而后随炉冷却至室温，获得MI
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SiC/SiC复合材料。2.根据权利要求1所述的一种提高MI
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SiC/SiC预制体熔融渗硅均匀性和复合材料层间结合力的方法，其特征在于，所述步骤1)中，表面涂层从纤维表层向外依次包括厚度为200nm
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600nm的BN涂层、厚度为100nm
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500nm的Si3N4涂层和厚度为5nm
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50nm的C涂层。3.根据权利要求1所述的一种提高MI
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SiC/SiC预制体熔融渗硅均匀性和复合材料层间结合力的方法，其特征在于，所述步骤1)中，单片预浸布的厚度为0.3mm
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0.8mm，所述单片单向预浸带的厚度为0.2mm
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0.6m...

【专利技术属性】
技术研发人员：马付根，
申请(专利权)人：合肥富维康新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：