一種SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】一種SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于所述的SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料包括無機(jī)陶瓷基材，前驅(qū)體浸漬裂解(PIP)-SiC粘結(jié)劑，化學(xué)氣相滲透(CVI)-SiC粘結(jié)劑，SiC粘結(jié)劑鑲嵌于陶瓷基材內(nèi)，并與陶瓷基材緊密結(jié)合。所述的無機(jī)陶瓷基材為碳化硅、氮化硅、氮化硼、碳化硼。制備方法是以陶瓷粉末為基材，聚碳硅烷-二甲苯溶液為粘結(jié)劑，模壓成型預(yù)制件，結(jié)合聚合物浸漬裂解法(PIP)與化學(xué)氣相滲透法(CVI)兩種方法制備高致密化SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料。不添加燒結(jié)助劑，制品高溫性能好，顆粒增韌，制品室溫彎曲強(qiáng)度高，碳化硅硬度高，制品耐磨性能好。
【專利說明】一種SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，特別是涉及一種SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷材料的耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，使其具有接替金屬作為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的潛力。但是，陶瓷材料的脆性大和可靠性差等致命弱點(diǎn)又阻礙其實(shí)用化。因此發(fā)展了幾類陶瓷增韌的方式，包括有顆粒增韌、晶須增韌、纖維增韌。顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料由于斷裂韌性、抗熱震性能以及各項(xiàng)同性性質(zhì)的提高引起人們重視，并在航空航天、熱發(fā)動(dòng)機(jī)、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備等高溫、高壓、嚴(yán)重腐蝕的復(fù)雜環(huán)境的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
[0003]CMC-SiC具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗氧化和低密度等特點(diǎn)，其密度為2~2.5g/cm3，僅是高溫合金和鈮合金的1/3~1/4，鎢合金的1/9~1/10。CMC-SiC主要包括碳纖維增韌碳化硅(C/SiC)和碳化硅纖維增韌碳化硅(SiC/SiC)兩種，由于碳纖維價(jià)格便宜且容易獲得，因而C/SiC成為SiC陶瓷基復(fù)合材料研究、考核與應(yīng)用的首選。CMC-SiC的應(yīng)用可覆蓋瞬時(shí)壽命(數(shù)十秒~數(shù)百秒)、有限壽命(數(shù)十分鐘~數(shù)十小時(shí))和長(zhǎng)壽命(數(shù)百小時(shí)~上千小時(shí))3類服役環(huán)境的需求。
[0004]因此CMC-SiC被認(rèn)為是繼碳-碳復(fù)合材料(C/C)之后發(fā)展的又一新型戰(zhàn)略性材料，可大幅度提高現(xiàn)有武器裝備和發(fā)展未來先進(jìn)武器裝備性能，發(fā)達(dá)國(guó)家都在競(jìng)相發(fā)展。此外，CMC-SiC在核能、高速剎車、燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件、高溫氣體過濾和熱交換器等方面還有廣泛應(yīng)用潛力。
[0005]申請(qǐng)?zhí)枮?01310347433.X的中國(guó)專利公開了一種碳顆粒/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，采用可變比例碳顆粒(Cp)與亞微米碳化硅粉作原料，配以適宜的燒結(jié)助劑，在氬氣氛下采用固相燒結(jié)的方式制備適宜于玻璃生產(chǎn)中的夾具材料。其工藝成本低，性能好；獲得的陶瓷基復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)-功能綜合性能良好的Cp/SiC陶瓷基復(fù)合材料。采用燒結(jié)工藝時(shí)，由于混合式難以將增強(qiáng)體和基體粉料均勻分散，因而會(huì)限制韌性的提高。純SiC很難燒結(jié)致密，需要加入燒結(jié)助劑，引入燒結(jié)助劑又會(huì)使組分不純，降低高溫性能。
[0006]申請(qǐng)?zhí)枮?01010541467.9的中國(guó)專利公開了一種金剛石/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的制備方法。其特征是原料重量百分比為:5~15%的粘結(jié)劑，15~45%的碳化硅粉，40~80%的金剛顆粒。原料經(jīng)8~24h濕混，75~250MPa壓力下模壓成形得到復(fù)合材料毛坯，毛坯子在空氣中氧化，氧化溫度200°C，氧化時(shí)間6~10h，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中800~1200°C溫度下燒結(jié)8~15h，隨爐冷卻。然后經(jīng)真空浸潰、氧化、燒結(jié)和冷卻，循環(huán)3-7次即可獲得致密的金剛石/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。聚碳硅烷浸潰裂解法制備碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，燒結(jié)溫度低，且不需要燒結(jié)助劑，減少制品雜質(zhì)，但所制備的復(fù)合材料致密度低，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于所述的SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料包括無機(jī)陶瓷粉末基材，前驅(qū)體浸潰裂解(PIP)-SiC粘結(jié)劑，化學(xué)氣相滲透(CVI)-SiC粘結(jié)劑，SiC粘結(jié)劑鑲嵌于陶瓷基材內(nèi)，并與陶瓷基材緊密結(jié)合，陶瓷基復(fù)合材料為圓環(huán)狀、板狀、管狀等。無機(jī)陶瓷粉末基材體積分?jǐn)?shù)為60 %~80 %，前驅(qū)體浸潰裂解(PIP) -SiC粘結(jié)劑體積分?jǐn)?shù)為5 %~15%，化學(xué)氣相滲透(CVI)-SiC粘結(jié)劑體積分?jǐn)?shù)為15%~25%。所述的無機(jī)陶瓷粉末基材為碳化硅、氮化硅、氮化硼、碳化硼，陶瓷粉末顆粒尺寸為10~lOOum。
[0008] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供一種SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下順序步驟:
[0009](I)以陶瓷粉末為基材，以聚碳硅烷-二甲苯溶液為粘結(jié)劑，陶瓷粉末與粘結(jié)劑質(zhì)量比為6:1~9: 1，均勻攪拌10~30min ;
[0010](2)將上述混合料放入模具中，模壓預(yù)壓成型，壓力在5~15MPa ；
[0011](3)將上述坯體放入烘箱中干燥，溫度為70~90°C，烘干時(shí)間為I~2h，；
[0012](4)180~200°C固化4~6h，真空氣氛下升至高溫裂解，裂解溫度為1000~1200 0C ；
[0013](5)浸潰裂解結(jié)束后，真空氣氛下升溫至反應(yīng)溫度，通入一定的三氯甲基硅烷，氫氣作為載氣，氬氣作為稀釋氣體，化學(xué)氣相滲透碳化硅，反應(yīng)溫度為1000~1200°C，三氯甲硅烷流量為30~50sccm，氫氣流量為200~300sccm，氬氣流量為200~300sccm，滲透時(shí)間為100~200h ；
[0014](6)最終得到SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料。
[0015]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn):1、不添加燒結(jié)助劑，提高復(fù)合材料組分純度，保證高溫性能；
2、浸潰裂解法結(jié)合化學(xué)氣相滲透方法制備的制品致密度高；3、顆粒增韌，制品室溫彎曲強(qiáng)度高；4、碳化硅硬度高，制品耐磨性能好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為圓環(huán)狀SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料的截面圖。
[0017]10為無機(jī)陶瓷粉末基材；20為前驅(qū)體浸潰裂解(PIP)-SiC粘結(jié)劑；30為化學(xué)氣相滲透(CVI)-SiC粘結(jié)劑。
[0018]圖2為圓板狀SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料的截面圖。
[0019]10為無機(jī)陶瓷粉末基材；20為前驅(qū)體浸潰裂解(PIP)-SiC粘結(jié)劑；30為化學(xué)氣相滲透(CVI)-SiC粘結(jié)劑。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定。
[0021]實(shí)施例1
[0022](I)以陶瓷粉末為基材，以聚碳硅烷-二甲苯溶液為粘結(jié)劑，陶瓷粉末與粘結(jié)劑質(zhì)量比為6: I，均勻攪拌1min ;
[0023](2)將上述混合料放入模具中，模壓預(yù)壓成型，壓力在5MPa ；
[0024](3)將上述坯體放入烘箱中干燥，溫度為80°C，烘干時(shí)間為2h，；
[0025](4) 180°C固化5h，真空氣氛下升至高溫裂解，裂解溫度為1100°C ；
[0026](5)浸潰裂解結(jié)束后，真空氣氛下升溫至反應(yīng)溫度，通入一定的三氯甲基硅烷，氫氣作為載氣，氬氣作為稀釋氣體，化學(xué)氣相滲透碳化硅，反應(yīng)溫度為110(TC，三氯甲硅烷流量為30sccm，氫氣流量為300sccm，氬氣流量為300sccm，滲透時(shí)間為150h ；
[0027](6)最終得到SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料。
[0028]實(shí)施例2
[0029](I)以陶瓷粉末為基材，以聚碳硅烷-二甲苯溶液為粘結(jié)劑，陶瓷粉末與粘結(jié)劑質(zhì)量比為8: 1，均勻攪拌15min;
[0030](2)將上述混合料放入模具中，模壓預(yù)壓成型，壓力在1MPa ；
[0031](3)將上述坯體放入烘箱中干燥，溫度為90°C，烘干時(shí)間為1.5h，；
[0032](4) 185°C固化4h，真空氣氛下升至高溫裂解，裂解溫度為1000°C ；
[0033](5)浸潰裂解結(jié)束后，真空氣氛下升溫至反應(yīng)溫度，通入一定的三氯甲基硅烷，氫氣作為載氣，氬氣作為稀釋氣體，化學(xué)氣相滲透碳化硅，反應(yīng)溫度為1150°C，三氯甲硅烷流量為30sccm，氫氣流量為200sccm，氬氣流量為300sccm，滲透時(shí)間為200h ；
[0034](6)最終得到SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料。
[0035] 上述僅為本發(fā)明的兩個(gè)【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對(duì)本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)的范圍的行為。但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何形式的簡(jiǎn)單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料，其特征在于所述的陶瓷基復(fù)合材料包括無機(jī)陶瓷粉末基材，前驅(qū)體浸潰裂解SiC粘結(jié)劑，化學(xué)氣相滲透SiC粘結(jié)劑，SiC粘結(jié)劑鑲嵌于陶瓷基材內(nèi)，并與陶瓷基材緊密結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于無機(jī)陶瓷粉末基材體積分?jǐn)?shù)為60%~80%，前驅(qū)體浸潰裂解SiC粘結(jié)劑體積分?jǐn)?shù)為5%~15%，化學(xué)氣相滲透SiC粘結(jié)劑體積分?jǐn)?shù)為15%~25%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述的無機(jī)陶瓷粉末基材為碳化硅、氮化硅、氮化硼、碳化硼。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述的陶瓷基復(fù)合材料為圓環(huán)狀、板狀、管狀。
5.一種SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下順序步驟: (1)以陶瓷粉末為基材，以聚碳硅烷-二甲苯溶液為粘結(jié)劑，陶瓷粉末與粘結(jié)劑質(zhì)量比為6: I~9: 1，均勻攪拌10~30min ; (2)將上述混合料放入模具中，模壓預(yù)壓成型，壓力在5~15MPa； (3)將上述坯體放入烘箱中干燥，溫度為70~90°C，烘干時(shí)間為I~2h，； (4)180~200°C固化4~6h，真空氣氛下升至高溫裂解，裂解溫度為1000~1200°C ； (5)浸潰裂解結(jié)束后，真空氣氛下升溫至反應(yīng)溫度，通入一定的三氯甲基硅烷，氫氣作為載氣，気氣作為稀釋氣體，化學(xué)氣相滲透碳化娃，滲透時(shí)間為100~200h ； (6)最終得到SiC粘結(jié)的陶瓷基復(fù)合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求書5所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中陶瓷粉末顆粒尺寸為10 ~lOOum。
7.根據(jù)權(quán)利要求書5所述的制備方法，其特征在于，步驟(5)中反應(yīng)溫度為1000~1200°C，三氯甲硅烷流量為30~50sccm，氫氣流量為200~300sccm，氬氣流量為200~300sccmo
【文檔編號(hào)】C04B37/00GK104177113SQ201410391801
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】陳照峰, 余盛杰 申請(qǐng)人:蘇州宏久航空防熱材料科技有限公司