專利名稱：碳/碳化硅復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
文獻(xiàn)"Sung R. Choi, Anthony M. Calomino, Narottam P. Bansal, and Michael J. Verrilli. Life Limiting Behavior in Interlaminar Shear of Continuous Fiber-Reinforced Ceramic Matrix Composites at Elevated Temperatures. NASA technical report, NASA/TM""2006-214088.，，公開了 一種利用化學(xué)氣相滲透法(CVI)制備二維疊層C/SiC復(fù)合材料的方法，該方法制備出了形狀 復(fù)雜、近尺寸、纖維體積分?jǐn)?shù)高的構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了微觀尺度上的成分設(shè)計(jì)；并且，通過對復(fù)合 材料中熱解碳(PyC)界面層的合理設(shè)計(jì)和控制，可優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)合材料的性能并有效克服對纖維 的損傷。但二維疊層C/SiC復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度僅為220 300MPa;層間抗剪切性能較差，在 1200。C時(shí)的層間剪切強(qiáng)度僅為22 24MPa。在制備過程和使用過程中易于發(fā)生分層而導(dǎo)致構(gòu) 件的過早失效甚至災(zāi)難性破壞，因此不宜于制備大而厚的的構(gòu)件。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)層間抗剪切性能差的不足，本發(fā)明提供一種碳/碳化硅復(fù)合材料的制備 方法，采用穿刺縫合預(yù)制體結(jié)合CVI方法制備C/SiC復(fù)合材料，可以提高層間抗剪切強(qiáng)度。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 一種碳/碳化硅復(fù)合材料的制備方法，其特點(diǎn) 是包括下述步驟
(a) 將碳纖維編織成單層平紋布，將多層平紋布疊加，然后用碳纖維采用穿刺縫合方法 將疊層縫合在一起，穿刺行距和穿刺歩長均為2 10mrn，制得體積密度為0.70 0.74g/cm3，碳 纖維體積分?jǐn)?shù)為40~42%的碳纖維預(yù)制體；
(b) 用石墨夾具將碳纖維預(yù)制體夾持，置于真空爐中在1800 2500'C溫度下，保溫l~3h 進(jìn)行除膠和預(yù)處理；
(c) 將經(jīng)步驟(b)處理后的碳纖維預(yù)制體置于沉積爐中，沉積熱解碳，沉積溫度為 900~1100°C,氣體為碳?xì)浠衔铮玫蕉嗫椎腃/C復(fù)合材料；
(d) 將多孔C/C復(fù)合材料在1800 250(TC真空爐中保溫l~3h;
(e) 采用CVI方法對經(jīng)過步驟(b)處理的C/C復(fù)合材料浸滲SiC基體，沉積溫度為900 1100°C，氣體為一甲基三氯硅烷，得到C/SiC復(fù)合材料。
本發(fā)明的有益效果是由于采用穿刺縫合預(yù)制體結(jié)合CVI方法制備C/SiC復(fù)合材料，C/SiC 復(fù)合材料在1200。C時(shí)的層間剪切強(qiáng)度由現(xiàn)有技術(shù)的22 24MPa提高到36 49Mpa;拉伸強(qiáng)度由
現(xiàn)有技術(shù)的220 300MPa提高到275 345MPa。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明方法碳布疊層穿刺縫合碳纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例2中制備的碳布疊層穿刺縫合C/SiC復(fù)合材料中的PyC界面層電鏡 掃描照片。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例3中制備的碳布疊層穿刺縫合C/SiC復(fù)合材料的掃描電鏡照片。 圖中，l-碳纖維，3-平紋布，7-穿刺間距，8-穿刺步長。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:穿刺間距為2mm、界面相厚度為0.16fim的C/SiC復(fù)合材料的制備。 選用碳纖維1直徑7nm的T300-lK碳纖維，將其織成平紋布3，疊加30層，采用穿刺
縫合方法將疊層縫合在一起，得到穿刺間距7和穿刺步長8均為2mm、體積密度為0.70g/cm3、
碳纖維體積分?jǐn)?shù)為40.0%的碳纖維預(yù)制體。
用石墨夾具將碳纖維預(yù)制體夾持，置于真空爐中在1800'C下進(jìn)行除膠和預(yù)處理3h。 將所得纖維預(yù)制體采用CVI沉積PyC。PyC界面相的制備以丙烯為源氣，Ar為稀釋氣體，
H2為載氣，沉積溫度為卯(TC，系統(tǒng)總壓為5KPa。得到密度為0.80g/cm3，熱解碳厚度約為
0.16pm的C/C復(fù)合材料。
將C/C復(fù)合材料在180(TC真空爐中熱處理3h。
將熱處理后的C/C復(fù)合材料采用CVI方法沉積SiC基體。SiC基體以三氯甲基硅烷
(CH3SiCl3, MTS)為源氣，Ar為稀釋氣體，H2為載氣，以鼓泡的方式將反應(yīng)物帶入反應(yīng)室，
沉積溫度為90(TC，系統(tǒng)總壓為5kPa， H2與MTS的摩爾比例為10:1。最終得到體積密度為
2.1g/cm3的C/SiC復(fù)合材料。
經(jīng)過對本實(shí)施例所制備的C/SiC復(fù)合材料檢測，拉伸強(qiáng)度為295MPa，在1200°C時(shí)的層
間剪切強(qiáng)度為49MPa。
實(shí)施例2:穿刺間距為4mm、界面相厚度為0.2pm的C/SiC復(fù)合材料的制備。 選用碳纖維l直徑7nm的T300-lK碳纖維，將其織成平紋布3，疊加40層，采用穿刺
縫合方法將疊層縫合在一起，得到穿刺間距7和穿刺步長8均為4mm、體積密度為0.73g/cm3、
碳纖維體積分?jǐn)?shù)為41.7%的碳纖維預(yù)制體。
用石墨夾具將碳纖維預(yù)制體夾持，置于真空爐中在190(TC下進(jìn)行除膠和預(yù)處理2.5h。 將所得纖維預(yù)制體采用CVI沉積PyC。PyC界面相的制備以丙烯為源氣，Ar為稀釋氣體，
H2為載氣，沉積溫度為950'C，系統(tǒng)總壓為5KPa。得到密度為0.82g/cm3，熱解碳厚度約為
0.2nm的C/C復(fù)合材料。
將C/C復(fù)合材料在1900'C真空爐中熱處理2.5h。
將熱處理后的C/C復(fù)合材料采用CVI方法沉積SiC基體。SiC基體以三氯甲基硅烷 (CH3SiCl3， MTS)為源氣，Ar為稀釋氣體，H2為載氣，以鼓泡的方式將反應(yīng)物帶入反應(yīng)室， 沉積溫度為950°C,系統(tǒng)總壓為6kPa， H2與MTS的摩爾比例為10:1。最終得到體積密度為 2.1g/cm3的C/SiC復(fù)合材料。
從圖2的PyC界面層電鏡掃描照片中，可看出界面層的厚度約為0.2nm，與預(yù)先設(shè)計(jì)界 面相厚度相符。
經(jīng)過對本實(shí)施例所制備的C/SiC復(fù)合材料檢測，拉伸強(qiáng)度為345MPa，在1200°C時(shí)的層
間剪切強(qiáng)度為43Mpa。
實(shí)施例3:穿刺間距為6mm、界面相厚度為0.2pm的C/SiC復(fù)合材料的制備。 選用碳纖維1直徑7pm的T300-1K碳纖維，將其織成平紋布3，疊加55層，采用穿刺
縫合方法將疊層縫合在一起，得到穿刺間距7和穿刺步長8均為6mm、體積密度為0.71g/cm3、
碳纖維體積分?jǐn)?shù)為40.3%的碳纖維預(yù)制體。
用石墨夾具將碳纖維預(yù)制體夾持，置于真空爐中在2100'C下進(jìn)行除膠和預(yù)處理2h。 將所得纖維預(yù)制體采用CVI沉積PyC。PyC界面相的制備以丙烯為源氣，Ar為稀釋氣體，
H2為載氣，沉積溫度為1000'C，系統(tǒng)總壓為7KPa。得到密度為0.79g/cm3，熱解碳厚度約為
0.2pm的C/C復(fù)合材料。
將C/C復(fù)合材料在210(TC真空爐中熱處理2h。
將熱處理后的C/C復(fù)合材料采用CVI方法沉積SiC基體。SiC基體以三氯甲基硅烷 (CH3SiCl3， MTS)為源氣，Ar為稀釋氣體，H2為載氣，以鼓泡的方式將反應(yīng)物帶入反應(yīng)室， 沉積溫度為IOO(TC，系統(tǒng)總壓為7kPa， H2與MTS的摩爾比例為10:1。最終得到體積密度為 2.1g/cm3的C/SiC復(fù)合材料。
從圖3的C/SiC復(fù)合材料的掃描電鏡照片中可以看出，復(fù)合材料中穿刺纖維束將各層很 好的結(jié)合在一起，層間沒有分層現(xiàn)象發(fā)生；并且纖維束之間被SiC基體均勻致密地填充了。
經(jīng)過對本實(shí)施例所制備的C/SiC復(fù)合材料檢測，拉伸強(qiáng)度為320MPa,在1200°C時(shí)的層 間剪切強(qiáng)度為39MPa。
實(shí)施例4:穿刺間距為10mm、界面相厚度為0.2nm的C/SiC復(fù)合材料的制備。
選用碳纖維1直徑7nm的T300-lK碳纖維，將其織成平紋布3，疊加65層，采用穿刺 縫合方法將疊層縫合在一起，得到穿刺間距7和穿刺步長8均為10mm、體積密度為0.72g/cm3、 碳纖維體積分?jǐn)?shù)為40.1%的碳纖維預(yù)制體。
用石墨夾具將碳纖維預(yù)制體夾持，置于真空爐中在230(TC下進(jìn)行除膠和預(yù)處理1.5h。 將所得纖維預(yù)制體采用CVI沉積PyC。PyC界面相的制備以丙烯為源氣，Ar為稀釋氣體，
H2為載氣，沉積溫度為105(TC，系統(tǒng)總壓為8KPa。得到密度為0.79g/cm3，熱解碳厚度約為
0.2pm的C/C復(fù)合材料。
將C/C復(fù)合材料在230(TC真空爐中熱處理1.5h。
將熱處理后的C/C復(fù)合材料采用CVI方法沉積SiC基體。SiC基體以三氯甲基硅垸 (CH3SiCl3, MTS)為源氣，Ar為稀釋氣體，H2為載氣，以鼓泡的方式將反應(yīng)物帶入反應(yīng)室， 沉積溫度為1000'C，系統(tǒng)總壓為8kPa, H2與MTS的摩爾比例為10:1。最終得到體積密度為 2.1g/cm3的C/SiC復(fù)合材料。
經(jīng)過對本實(shí)施例所制備的C/SiC復(fù)合材料檢測，拉伸強(qiáng)度為275MPa，在1200°C時(shí)的層 間剪切強(qiáng)度為36MPa。
實(shí)施例5:穿刺間距為8mm、界面相厚度為0.22pm的C/SiC復(fù)合材料的制備。
選用碳纖維l直徑7nm的T300-lK碳纖維，將其織成平紋布3，疊加75層，采用穿刺 縫合方法將疊層縫合在一起，得到穿刺間距7和穿刺步長8均為8mm、體積密度為0.74g/cm3、 碳纖維體積分?jǐn)?shù)為42%的碳纖維預(yù)制體。
用石墨夾具將碳纖維預(yù)制體夾持，置于真空爐中在2500'C下進(jìn)行除膠和預(yù)處理lh。
將所得纖維預(yù)制體采用CVI沉積PyC。PyC界面相的制備以丙烯為源氣，Ar為稀釋氣體， H2為載氣，沉積溫度為IIO(TC，系統(tǒng)總壓為lOKPa。得到密度為0.80g/cm3，熱解碳厚度約 為0.22nm的C/C復(fù)合材料。
將C/C復(fù)合材料在250(TC真空爐中熱處理lh。
將熱處理后的C/C復(fù)合材料采用CVI方法沉積SiC基體。SiC基體以三氯甲基硅烷 (CH3SiCl3, MTS)為源氣，Ar為稀釋氣體，H2為載氣，以鼓泡的方式將反應(yīng)物帶入反應(yīng)室， 沉積溫度為IIOO'C，系統(tǒng)總壓為10kPa， H2與MTS的摩爾比例為10:1。最終得到體積密度 為2.1g/cm3的C/SiC復(fù)合材料。
經(jīng)過對本實(shí)施例所制備的C/SiC復(fù)合材料檢測，拉伸強(qiáng)度為285MPa，在1200°C時(shí)的層 間剪切強(qiáng)度為39MPa。
權(quán)利要求
1、一種碳/碳化硅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟(a)將碳纖維編織成單層平紋布，將多層平紋布疊加，然后用碳纖維采用穿刺縫合方法將疊層縫合在一起，穿刺行距和穿刺步長均為2～10mm，制得體積密度為0.70～0.74g/cm3，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為40～42％的碳纖維預(yù)制體；(b)用石墨夾具將碳纖維預(yù)制體夾持，置于真空爐中在1800～2500℃溫度下，保溫1～3h進(jìn)行除膠和預(yù)處理；(c)將經(jīng)步驟(b)處理后的碳纖維預(yù)制體置于沉積爐中，沉積熱解碳，沉積溫度為900～1100℃，氣體為碳?xì)浠衔?，得到多孔的C/C復(fù)合材料；(d)將多孔C/C復(fù)合材料在1800～2500℃真空爐中保溫1～3h；(e)采用CVI方法對經(jīng)過步驟(b)處理的C/C復(fù)合材料浸滲SiC基體，沉積溫度為900～1100℃，氣體為一甲基三氯硅烷，得到C/SiC復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳/碳化硅復(fù)合材料的制備方法，首先將碳纖維編織成單層平紋布，再將多層平紋布疊加，用碳纖維將疊層穿刺縫合在一起，形成碳纖維預(yù)制體；將碳纖維預(yù)制體置于真空爐中進(jìn)行除膠和預(yù)處理；然后沉積熱解碳，得到多孔的C/C復(fù)合材料；對多孔C/C復(fù)合材料進(jìn)行熱處理；采用CVI方法對處理后的C/C復(fù)合材料浸滲SiC基體，得到C/SiC復(fù)合材料。由于采用穿刺縫合預(yù)制體結(jié)合CVI方法制備C/SiC復(fù)合材料，C/SiC復(fù)合材料在1200℃時(shí)的層間剪切強(qiáng)度由現(xiàn)有技術(shù)的22～24MPa提高到36～49MPa；拉伸強(qiáng)度由現(xiàn)有技術(shù)的220～300MPa提高到275～345MPa。
文檔編號C04B35/83GK101337825SQ20081015057
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月8日
發(fā)明者張立同, 徐永東, 成來飛, 殷小瑋, 聶景江 申請人:西北工業(yè)大學(xué)