C/C?SiC復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種C/C?SiC復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，C/C?SiC復(fù)合材料包括碳纖維預(yù)制件、碳基體和碳化硅基體，所述碳基體和碳化硅基體均勻填充于所述碳纖維預(yù)制件的孔隙中，所述碳化硅基體包括第一碳化硅基體和第二碳化硅基體，所述第二碳化硅基體由氣相滲硅燒結(jié)工藝引入。制備方法包括以下步驟：(1)引入碳基體；(2)分別引入第一碳化硅基體和第二碳化硅基體。該C/C?SiC復(fù)合材料具有組分均勻、致密度高、基體顆粒細(xì)膩、摩擦穩(wěn)定性高、熱導(dǎo)率高和力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。該制備方法工藝簡單，所得復(fù)合材料性能優(yōu)異。
【專利說明】
C/C-S i C復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種C/C-SiC復(fù)合材料及 其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] C/C-SiC(碳陶）復(fù)合材料結(jié)合了C/C復(fù)合材料和SiC的優(yōu)點(diǎn)，具有密度低、耐磨、摩 擦系數(shù)高、制動(dòng)平穩(wěn)、抗腐蝕、抗氧化、耐高溫、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)(如濕態(tài)下摩擦因素不衰退)和 壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的新型高性能摩擦材料。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于碳陶復(fù)合材料的制備步驟主要包括：（1)多孔C/C復(fù)合材料的制 備，主要采用化學(xué)氣相滲透(化emical vapor infi Itration，CVI)方法或先驅(qū)體浸潰-裂解 (Precursor infiltration and pyrolysis,PIP)方法；（2)C/C-SiC復(fù)合材料的制備，在多 孔C/C復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，引入SiC基體，SiC基體的引入方法有CVI法和液相滲娃化iquid silicon infiltration，LSI)法。
[0004] W上制備方法在實(shí)際應(yīng)用中還存在W下問題：（1)在多孔C/C復(fù)合材料的基礎(chǔ)上， 采用CVI方法引入SiC基體時(shí)，由于CVI方法不能獲得完全致密的碳陶復(fù)合材料，制得的C/C- SiC復(fù)合材料具有約lOVol%左右的孔隙率，孔隙率的存在降低了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，導(dǎo)致 得到的碳陶復(fù)合材料熱導(dǎo)率一般小于20W/m . k，滿足不了高能載剎車的使用要求(要求碳 陶復(fù)合材料的熱導(dǎo)率大于40W/m ? K); (2)在多孔C/C復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，采用LSI方法引入 SiC基體時(shí)，雖然能獲得完全致密的復(fù)合材料，但復(fù)合材料中會(huì)殘留體積分?jǐn)?shù)超過5%的殘 留Si,殘留Si的硬度小于SiC,在摩擦過程中會(huì)逐步磨損掉，使得復(fù)合材料中留下凹坑，凹坑 的形成會(huì)加劇剎車片的磨損，從而影響材料的使用壽命，另外，殘留Si在摩擦過程中會(huì)發(fā)生 氧化磨損形成烙融Si化，產(chǎn)生粘著效應(yīng)，降低了材料的摩擦穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致剎車片粘合在 一起抱死；（3)單純采用LSI方法引入SiC基體時(shí)，由于LSI工藝的溫度大于1450°C，反應(yīng)得到 的Si C基體顆粒尺寸大，在摩擦過程中粗顆粒的Si C會(huì)加速摩擦片的磨損，也會(huì)影響材料的 使用壽命；（4)LSI法中所用液態(tài)Si的濃度高，反應(yīng)初期Si與C反應(yīng)速度過快且難W控制，導(dǎo) 致制得的碳陶復(fù)合材料表面快速形成閉孔，反應(yīng)后期的Si無法滲入復(fù)合材料中參與反應(yīng)， 碳陶復(fù)合材料的表面和內(nèi)部的娃滲入量不均一，造成碳陶復(fù)合材料內(nèi)外組分不均勻，使用 時(shí)易開裂的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 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，提供一種組分均勻、致密度高、 基體顆粒細(xì)膩、摩擦穩(wěn)定性高、熱導(dǎo)率高和力學(xué)性能優(yōu)異的C/C-SiC復(fù)合材料，還提供一種 上述C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法及其作為摩擦材料的應(yīng)用。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0007] -種C/C-SiC復(fù)合材料，包括碳纖維預(yù)制件、碳基體和碳化娃基體，所述碳基體和 碳化娃基體均勻填充于所述碳纖維預(yù)制件的孔隙中，所述碳化娃基體包括第一碳化娃基體 和第二碳化娃基體，所述第二碳化娃基體由氣相滲硅烷結(jié)工藝引入。
[000引上述的C/C-SiC復(fù)合材料，優(yōu)選的，所述C/C-SiC復(fù)合材料中不含殘留娃。
[0009] 上述的C/C-SiC復(fù)合材料，優(yōu)選的，所述第一碳化娃基體由化學(xué)氣相滲透工藝引 入。
[0010] 上述的c/c-sic復(fù)合材料，優(yōu)選的，所述c/c-sic復(fù)合材料中，所述碳基體的體積分 數(shù)為20%~40%，所述第一碳化娃基體的體積分?jǐn)?shù)為10%~25%，所述第二碳化娃基體的 體積分?jǐn)?shù)為15%~25%，孔隙率為0%~5%。
[0011] 作為一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，包括W 下步驟：
[0012] (1)引入碳基體:采用化學(xué)氣相滲透工藝在碳纖維立體針刺拉內(nèi)沉積碳基體，得到 C/C復(fù)合材料；
[0013] (2)引入碳化娃基體：
[0014] (2.1)采用化學(xué)氣相滲透工藝在步驟（1)所得C/C復(fù)合材料中沉積碳化娃基體，得 至化/C-S i C復(fù)合材料中間體；
[0015] (2.2)在真空條件下，對(duì)步驟(2.1)所得C/C-SiC復(fù)合材料中間體進(jìn)行氣相滲硅烷 結(jié)，得到C/C-SiC復(fù)合材料。
[0016] 上述C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，優(yōu)選的，步驟(2)之后還包括：
[0017] (3)刻蝕除娃:將步驟(2.2)所得C/C-SiC復(fù)合材料置于氨氣酸中浸泡。
[0018] 上述C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，優(yōu)選的，步驟(3)之后還包括：
[0019] (4)封孔:采用化學(xué)氣相沉積工藝在步驟(3)經(jīng)浸泡后的C/C-SiC復(fù)合材料表面沉 積SiC涂層。
[0020] 上述C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（1)中，所述C/C復(fù)合材料中 碳基體的體積分?jǐn)?shù)為30%~45% ;所述步驟(2.1)中，所述C/C-SiC復(fù)合材料中間體中SiC基 體的體積分?jǐn)?shù)為10%~25%。
[0021 ]上述C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2.2)中，燒結(jié)溫度為1450°C ~1600°C，真空度為10化~IOOPa，保溫時(shí)間為比~化;所述步驟(3)中，所述浸泡時(shí)間為24h ~4她;所述步驟(4)中，所述SiC涂層厚度為如m~10皿。
[0022] 作為一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的C/C-SiC復(fù)合材料或上述的C/ C-SiC復(fù)合材料的制備方法所制備的C/C-SiC復(fù)合材料作為摩擦材料的應(yīng)用。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0024] 1、本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料，基體由C和Si C雙組元基體組成。其中碳化娃基體包 括第一碳化娃基體和第二碳化娃基體，第二碳化娃基體由氣相滲硅烷結(jié)工藝引入，即滲入 的氣態(tài)娃與先引入的部分碳基體原位反應(yīng)生成第二碳化娃基體，該第二碳化娃基體可進(jìn)一 步提升碳陶復(fù)合材料的致密度，進(jìn)而提升復(fù)合材料的熱導(dǎo)率及力學(xué)性能。另外，該第二碳化 娃基體為多晶SiC,多晶SiC具有熱導(dǎo)率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其在干/濕狀態(tài)下的均具有穩(wěn)定的摩 擦系數(shù)，克服了C/C復(fù)合材料在濕態(tài)摩擦環(huán)境下失效的缺點(diǎn)，有利于保證碳陶復(fù)合材料在惡 劣條件下的穩(wěn)定性，拓寬了碳陶復(fù)合材料在濕態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用。
[00巧]2、本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料，碳基體由化學(xué)氣相滲透工藝引入，CVI工藝一般溫 度低（《iioor)，所引入的第一碳化娃基體顆粒細(xì)膩，有助于降低碳陶摩擦片的磨損率;且 CVI工藝引入的碳基體為結(jié)晶態(tài)碳，結(jié)晶態(tài)碳是一種良好的摩擦材料，結(jié)晶態(tài)的C在摩擦過 程中會(huì)形成良好的摩擦膜，有利于提升材料的摩擦穩(wěn)定性，且具有自潤滑效果。
[0026] 3、進(jìn)一步地，本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料不含殘留娃，不存在粘著效應(yīng)，提高了復(fù) 合材料的摩擦穩(wěn)定性。
[0027] 4、本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，先采用化學(xué)氣相滲透工藝(CVI)在碳纖 維立體針刺拉內(nèi)引入碳基體，再采用化學(xué)氣相滲透工藝(CVI)+氣相滲硅烷結(jié)(GSI)的聯(lián)用 工藝引入碳化娃基體，解決單一工藝方法制備碳化娃基體的不足，并充分發(fā)揮各單一工藝 的優(yōu)勢(shì)。采用CVI工藝制備的CVI碳基體具有很好的摩擦潤滑作用，同時(shí)，能夠很好保護(hù)碳纖 維在后續(xù)滲硅烷結(jié)過程中不被損傷。聯(lián)用工藝具體為:先采用CVI方法引入足夠多的CVI碳 化娃基體，CVI方法溫度低（《iioor)，得到的碳化娃基體顆粒細(xì)膩，有助于降低碳陶摩擦 片的磨損率;再采用氣相滲硅烷結(jié)(GSI)方法，使Si在真空高溫下氣化，氣態(tài)Si滲進(jìn)C/C-SiC 復(fù)合材料內(nèi)部，和部分碳基體反應(yīng)，得到GSI碳化娃基體，進(jìn)一步提升碳陶復(fù)合材料的致密 度，進(jìn)而提升復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
[002引另外，采用GSI工藝制備部分SiC基體，相比于LSI工藝，GSI工藝反應(yīng)過程溫和，滲 透深度大(超過100mm)，有利于制備出組成均勻的碳陶復(fù)合材料。
[0029] 5、本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，進(jìn)一步地，引入碳化娃基體后還包括刻 蝕除娃步驟，運(yùn)是因?yàn)?GSI燒結(jié)后，在降溫過程中，氣相Si會(huì)在復(fù)合材料表面殘留的微孔中 凝聚，使得降溫后得到的C/C-SiC復(fù)合材料中含有少量的殘留Si。因此，后續(xù)工藝步驟中，對(duì) 得到的C/C-SiC復(fù)合材料進(jìn)行刻蝕除Si處理，具體為在室溫下將復(fù)合材料制品浸泡在氨氣 酸液體中，優(yōu)選地，浸泡時(shí)間為24~48小時(shí)，使得殘留Si去除完整。
[0030] 6、本發(fā)明的C/C-S i C復(fù)合材料的制備方法，進(jìn)一步地，刻蝕除娃后還包括S i C涂層 封孔步驟，運(yùn)是因?yàn)?C/C-SiC復(fù)合材料去除殘余Si的地方會(huì)留下氣孔。本發(fā)明采用的化學(xué) 氣相沉積工藝(CVD)在去除殘留娃后的C/C-SiC復(fù)合材料表面沉積SiC涂層。優(yōu)選地，涂層制 備厚度為5~10微米，保證涂層能充分填充去除殘留Si后的復(fù)合材料中留下的氣孔，得到最 終致密的C/C-SiC復(fù)合材料制品。
[0031] 7、本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，采用碳纖維立體針刺拉織物作為增強(qiáng) 體，碳纖維立體針刺拉可采用碳布和網(wǎng)胎交叉疊層穿刺的方法制備，優(yōu)選地，碳纖維立體針 刺拉中碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為30~35%，碳纖維體積分?jǐn)?shù)高，有利于發(fā)揮纖維的增強(qiáng)增初作 用。
[0032] 優(yōu)選地，步驟（1)制備的C/C復(fù)合材料中，CVI碳基體含量控制在體積分?jǐn)?shù)為30~ 45%，既能充分保護(hù)碳纖維和起到摩擦組元作用，又能為后續(xù)SiC基體的引入留下通道。
[0033] -定含量SiC基體的引入能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料在干/濕態(tài)下的摩擦穩(wěn)定性，同時(shí)提高 復(fù)合材料的綜合性能，但化學(xué)氣相滲透工藝(CVI)無法制備完全致密復(fù)合材料，優(yōu)選地，步 驟(2.1)所得的C/C-SiC復(fù)合材料中間體中，CVI SiC基體含量控制在體積分?jǐn)?shù)為10~25%， 為后續(xù)氣相滲硅烷結(jié)(GSI)引入GSI碳化娃基體提供便利。
[0034] 8、本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，步驟(2.1)所得的C/C-SiC復(fù)合材料中 間體中，仍然有10% W上的氣孔率，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料致密化。步驟(2.2)在真空燒結(jié)條件 下進(jìn)行氣相滲娃，與常規(guī)的液相滲娃化SI)相比，GSI能提高S i滲入C/C-S i C復(fù)合材料預(yù)制體 孔道的速度和深度，并且得到致密的C/C-SiC復(fù)合材料。優(yōu)選的，真空度為10~lOOPa，燒結(jié) 溫度為1450~1600°C，燒結(jié)時(shí)間為I~6小時(shí)。在上述條件下，Si在燒結(jié)溫度、真空狀態(tài)下能 夠氣化，然后W分子體積更小的氣態(tài)滲進(jìn)C/C-SiC復(fù)合材料，氣態(tài)Si通過和部分C基體反應(yīng)， 得到GSI SiC基體，進(jìn)一步提高了碳陶復(fù)合材料的致密度。此條件為本發(fā)明的最佳反應(yīng)條 件。反應(yīng)溫度太低，Si不能氣化，反應(yīng)溫度太高，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能又會(huì)造成不利影響。
[0035] 9、本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，所制備得到的C/C-SiC復(fù)合材料的熱導(dǎo) 率達(dá)56.9W/mK，彎曲強(qiáng)度達(dá)308MPa、斷裂初性達(dá)12. IM化? ml/2、摩擦系數(shù)為0.29、磨損率為 0.25皿/次，C/C-SiC復(fù)合材料內(nèi)外組份均一，各項(xiàng)力學(xué)、熱學(xué)性能和摩擦磨損優(yōu)良，是一種 良好的摩擦片材料，可制成摩擦片或航空、高速列車、汽車的剎車片。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1~5的C/C-SiC復(fù)合材料的制備工藝流程圖。
[0037] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例3所制備的C/C-SiC復(fù)合材料的剖面顯微照片。
[0038] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的C/C-SiC復(fù)合材料制備的摩擦片的宏觀照片。
[0039] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例3的C/C-SiC復(fù)合材料的斷口沈M照片。
【具體實(shí)施方式】
[0040] W下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而 限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0041] W下實(shí)施例中所用的CVI、GSI、CVD方法的工藝步驟均為常規(guī)步驟，相應(yīng)的工藝條 件也為常規(guī)工藝參數(shù)。其他物料和所用儀器設(shè)備均為市售。
[0042] W下實(shí)施例中樣品的彎曲強(qiáng)度、斷裂初性、熱導(dǎo)率、摩擦系數(shù)和磨損率均按常規(guī)方 法測得。
[0043] 實(shí)施例1:
[0044] -種本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料，包括碳纖維預(yù)制件、先后引入的碳基體和碳化娃 基體，碳基體和碳化娃基體均勻填充于碳纖維預(yù)制件的孔隙中，碳化娃基體包括第一碳化 娃基體和第二碳化娃基體，第二碳化娃基體由氣相滲硅烷結(jié)工藝引入。
[0045] 本實(shí)施例中，C/C-SiC復(fù)合材料中不含殘留娃。
[0046] 本實(shí)施例中，第一碳化娃基體由化學(xué)氣相滲透工藝引入。
[0047] 本實(shí)施例中，該C/C-SiC復(fù)合材料中，碳基體的體積分?jǐn)?shù)為37%，第一碳化娃基體 的體積分?jǐn)?shù)為10%，所述第二碳化娃基體的體積分?jǐn)?shù)為20%，孔隙率為3%。
[0048] 一種上述本實(shí)施例的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，如圖1所示，包括W下步驟：
[0049] 1)引入CVI碳基體:在纖維體積分?jǐn)?shù)為30 %的碳纖維立體針刺拉內(nèi)通過化學(xué)氣相 滲透工藝(CVI)沉積C基體，得到C/C復(fù)合材料，所沉積的C基體體積分?jǐn)?shù)為45% ;
[0050] 2)引入CVI碳化娃基體:采用CVI方法在多孔C/C復(fù)合材料中沉積體積分?jǐn)?shù)為10% 的SiC基體，即引入第一碳化娃基體(CVI SiC基體），得到C/C-SiC復(fù)合材料中間體；
[0化1] 3)引入GSI碳化娃基體:在160(TC、100化高溫真空條件下，將C/C-SiC復(fù)合材料中 間體進(jìn)行GSI燒結(jié)，時(shí)間為1小時(shí)，引入第二碳化娃基體，即GSI SiC基體，得到C/C-SiC復(fù)合 材料；
[0052] 4)刻蝕除娃:在室溫下將C/C-SiC復(fù)合材料在氨氣酸中浸泡24小時(shí)除去復(fù)合材料 中的殘留Si,得到去除殘留娃的C/C-SiC復(fù)合材料；
[0053] 5)SiC涂層封孔:采用CVD方法在去除殘留娃的C/C-SiC復(fù)合材料表面制備10微米 厚的SiC涂層進(jìn)行封孔，得到最終C/C-SiC復(fù)合材料成品，作為樣品1，其性能測試結(jié)果見表 Io
[0化4] 實(shí)施例2:
[0055] -種本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料，包括碳纖維預(yù)制件、先后引入的碳基體和碳化娃 基體，碳基體和碳化娃基體均勻填充于碳纖維預(yù)制件的孔隙中，碳化娃基體包括第一碳化 娃基體和第二碳化娃基體，第二碳化娃基體由氣相滲硅烷結(jié)工藝引入。
[0056] 本實(shí)施例中，C/C-SiC復(fù)合材料中不含殘留娃。
[0057] 本實(shí)施例中，第一碳化娃基體由化學(xué)氣相滲透工藝引入。
[005引本實(shí)施例中，該C/C-SiC復(fù)合材料中，碳基體的體積分?jǐn)?shù)為23%，第一碳化娃基體 的體積分?jǐn)?shù)為25%，所述第二碳化娃基體的體積分?jǐn)?shù)為15%，孔隙率為2%。
[0059] -種上述本實(shí)施例的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，如圖1所示，包括W下步驟：
[0060] 1)引入CVI碳基體:在纖維體積分?jǐn)?shù)為35 %的碳纖維立體針刺拉內(nèi)通過化學(xué)氣相 滲透工藝(CVI)沉積C基體，得到C/C復(fù)合材料，所沉積的C基體體積分?jǐn)?shù)為30 % ;
[0061] 2)引入CVI碳化娃基體:采用CVI方法在多孔C/C復(fù)合材料中沉積體積分?jǐn)?shù)為25% 的SiC基體，即引入第一碳化娃基體(CVI SiC基體），得到C/C-SiC復(fù)合材料中間體；
[0062] 3)引入GSI碳化娃基體:在1450°C、10化高溫真空條件下，將C/C-SiC復(fù)合材料中間 體進(jìn)行GSI燒結(jié)，時(shí)間為6小時(shí)，引入第二碳化娃基體，即GSI SiC基體，得到C/C-SiC復(fù)合材 料；
[0063] 4)刻蝕除娃:在室溫下將C/C-SiC復(fù)合材料在氨氣酸中浸泡48小時(shí)除去復(fù)合材料 中的殘留Si,得到去除殘留娃的C/C-SiC復(fù)合材料；
[0064] 5)SiC涂層封孔:采用CVD方法在去除殘留娃的C/C-SiC復(fù)合材料表面制備5微米厚 的SiC涂層進(jìn)行封孔，得到最終C/C-SiC復(fù)合材料成品，作為樣品2,其性能測試結(jié)果見表1。 [00化]實(shí)施例3:
[0066] -種本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料，包括碳纖維預(yù)制件、先后引入的碳基體和碳化娃 基體，碳基體和碳化娃基體均勻填充于碳纖維預(yù)制件的孔隙中，碳化娃基體包括第一碳化 娃基體和第二碳化娃基體，第二碳化娃基體由氣相滲硅烷結(jié)工藝引入。
[0067] 本實(shí)施例中，C/C-SiC復(fù)合材料中不含殘留娃。
[0068] 本實(shí)施例中，第一碳化娃基體由化學(xué)氣相滲透工藝引入。
[0069] 本實(shí)施例中，該C/C-SiC復(fù)合材料中，碳基體的體積分?jǐn)?shù)為25%，第一碳化娃基體 的體積分?jǐn)?shù)為17%，所述第二碳化娃基體的體積分?jǐn)?shù)為25%，孔隙率為0%。
[0070] -種上述本實(shí)施例的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，如圖1所示，包括W下步驟：
[0071 ] 1)引入CVI碳基體:在纖維體積分?jǐn)?shù)為33 %的碳纖維立體針刺拉內(nèi)通過化學(xué)氣相 滲透工藝(CVI)沉積C基體，得到C/C復(fù)合材料，所沉積的C基體體積分?jǐn)?shù)為37 % ;
[0072] 2)引入CVI碳化娃基體:采用CVI方法在多孔C/C復(fù)合材料中沉積體積分?jǐn)?shù)為17% 的SiC基體，即引入第一碳化娃基體(CVI SiC基體），得到C/C-SiC復(fù)合材料中間體；
[0073] 3)引入GSI碳化娃基體:在1550°C、50化高溫真空條件下，將C/C-SiC復(fù)合材料中間 體進(jìn)行GSI燒結(jié)，時(shí)間為3小時(shí)，引入第二碳化娃基體，即GSI SiC基體，得到C/C-SiC復(fù)合材 料；
[0074] 4)刻蝕除娃:在室溫下將C/C-SiC復(fù)合材料在氨氣酸中浸泡36小時(shí)除去復(fù)合材料 中的殘留Si,得到去除殘留娃的C/C-SiC復(fù)合材料；
[0075] 5)SiC涂層封孔:采用CVD方法在去除殘留娃的C/C-SiC復(fù)合材料表面制備7微米厚 的SiC涂層進(jìn)行封孔，得到最終C/C-SiC復(fù)合材料成品，作為樣品3,其性能測試結(jié)果見表1。
[0076] 本實(shí)施例所制備的C/C-SiC復(fù)合材料的剖面顯微照片如圖2所示，可W看到，C/C- SiC復(fù)合材料非常致密，纖維保存完好，C和SiC均勻地分布在纖維周邊。
[0077] 圖3為由本實(shí)施例的C/C-SiC復(fù)合材料制備的摩擦片的宏觀照片，為按照該實(shí)施例 制備出的某型1:1尺寸C/C-SiC摩擦片宏觀照片，該摩擦片外形尺寸400mm左右，外觀致密無 缺陷，說明本發(fā)明能制備出滿足實(shí)際應(yīng)用的摩擦片。
[0078] 圖4為本實(shí)施例所制備的C/C-SiC復(fù)合材料的斷口SEM照片，可W看到，復(fù)合材料斷 口非常致密，C纖維完整保留在復(fù)合材料中。
[00巧]實(shí)施例4:
[0080] -種本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料，包括碳纖維預(yù)制件、先后引入的碳基體和碳化娃 基體，碳基體和碳化娃基體均勻填充于碳纖維預(yù)制件的孔隙中，碳化娃基體包括第一碳化 娃基體和第二碳化娃基體，第二碳化娃基體由氣相滲硅烷結(jié)工藝引入。
[0081 ]本實(shí)施例中，C/C-SiC復(fù)合材料中不含殘留娃。
[0082] 本實(shí)施例中，第一碳化娃基體由化學(xué)氣相滲透工藝引入。
[0083] 本實(shí)施例中，該C/C-SiC復(fù)合材料中，碳基體的體積分?jǐn)?shù)為20%，第一碳化娃基體 的體積分?jǐn)?shù)為20%，所述第二碳化娃基體的體積分?jǐn)?shù)為25%，孔隙率為5%。
[0084] -種上述本實(shí)施例的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，如圖1所示，包括W下步驟：
[0085] 1)引入CVI碳基體:在纖維體積分?jǐn)?shù)為30 %的碳纖維立體針刺拉內(nèi)通過化學(xué)氣相 滲透工藝(CVI)沉積C基體，得到C/C復(fù)合材料，所沉積的C基體體積分?jǐn)?shù)為30 % ;
[0086] 2)引入CVI碳化娃基體:采用CVI方法在多孔C/C復(fù)合材料中沉積體積分?jǐn)?shù)為20% 的SiC基體，即引入第一碳化娃基體(CVI SiC基體），得到C/C-SiC復(fù)合材料中間體；
[0087] 3)引入GSI碳化娃基體:在1500°C、30化高溫真空條件下，將C/C-SiC復(fù)合材料中間 體進(jìn)行GSI燒結(jié)，時(shí)間為4小時(shí)，引入第二碳化娃基體，即GSI SiC基體，得到C/C-SiC復(fù)合材 料；
[0088] 4)刻蝕除娃:在室溫下將C/C-SiC復(fù)合材料在氨氣酸中浸泡24小時(shí)除去復(fù)合材料 中的殘留Si,得到去除殘留娃的C/C-SiC復(fù)合材料；
[0089] 5)SiC涂層封孔:采用CVD方法在去除殘留娃的C/C-SiC復(fù)合材料表面制備5微米厚 的SiC涂層進(jìn)行封孔，得到最終C/C-SiC復(fù)合材料成品，作為樣品4,其性能測試結(jié)果見表1。
[0090] 實(shí)施例5:
[0091] -種本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料，包括碳纖維預(yù)制件、先后引入的碳基體和碳化娃 基體，碳基體和碳化娃基體均勻填充于碳纖維預(yù)制件的孔隙中，碳化娃基體包括第一碳化 娃基體和第二碳化娃基體，第二碳化娃基體由氣相滲硅烷結(jié)工藝引入。
[0092] 本實(shí)施例中，C/C-SiC復(fù)合材料中不含殘留娃。
[0093] 本實(shí)施例中，第一碳化娃基體由化學(xué)氣相滲透工藝引入。
[0094] 本實(shí)施例中，該C/C-SiC復(fù)合材料中，碳基體的體積分?jǐn)?shù)為25%，第一碳化娃基體 的體積分?jǐn)?shù)為15%，所述第二碳化娃基體的體積分?jǐn)?shù)為25%，孔隙率為2%。
[00M] -種上述本實(shí)施例的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，如圖1所示，包括W下步驟：
[0096] 1)引入CVI碳基體:在纖維體積分?jǐn)?shù)為33 %的碳纖維立體針刺拉內(nèi)通過化學(xué)氣相 滲透工藝(CVI)沉積C基體，得到C/C復(fù)合材料，所沉積的C基體體積分?jǐn)?shù)為35 % ;
[0097] 2)引入CVI碳化娃基體:采用CVI方法在多孔C/C復(fù)合材料中沉積體積分?jǐn)?shù)為15% 的SiC基體，即引入第一碳化娃基體(CVI SiC基體），得到C/C-SiC復(fù)合材料中間體；
[0098] 3)引入GSI碳化娃基體:在1600°C、50化高溫真空條件下，將C/C-SiC復(fù)合材料中間 體進(jìn)行GSI燒結(jié)，時(shí)間為2小時(shí)，引入第二碳化娃基體，即GSI SiC基體，得到C/C-SiC復(fù)合材 料；
[0099] 4)刻蝕除娃:在室溫下將C/C-SiC復(fù)合材料在氨氣酸中浸泡48小時(shí)除去復(fù)合材料 中的殘留Si,得到去除殘留娃的C/C-SiC復(fù)合材料；
[0100] 5)SiC涂層封孔:采用CVD方法在去除殘留娃的C/C-SiC復(fù)合材料表面制備10微米 厚的SiC涂層進(jìn)行封孔，得到最終C/C-SiC復(fù)合材料成品。作為樣品5,其性能測試結(jié)果見表 Io
[0101] 實(shí)施例6:
[0102] -種本發(fā)明的C/C-SiC復(fù)合材料，包括碳纖維預(yù)制件、先后引入的碳基體和碳化娃 基體，碳基體和碳化娃基體均勻填充于碳纖維預(yù)制件的孔隙中，碳化娃基體包括第一碳化 娃基體和第二碳化娃基體，第二碳化娃基體由氣相滲硅烷結(jié)工藝引入。
[0103] 本實(shí)施例中，第一碳化娃基體由化學(xué)氣相滲透工藝引入。
[0104] 本實(shí)施例中，該C/C-SiC復(fù)合材料中，碳基體的體積分?jǐn)?shù)為35%，第一碳化娃基體 的體積分?jǐn)?shù)為10%，所述第二碳化娃基體的體積分?jǐn)?shù)為22%，孔隙率為3%。
[0105] 本實(shí)施例的C/C-SiC復(fù)合材料制備過程與實(shí)施例1基本相同，區(qū)別在于本對(duì)比例中 沒有步驟4)和5)，651燒結(jié)后得到〔/(：-51(：復(fù)合材料作為樣品6，其性能測試結(jié)果見表1。
[0106] 對(duì)比例1:
[0107] 本對(duì)比例的制備過程與實(shí)施例1基本相同，區(qū)別僅在于本對(duì)比例中沒有步驟2)，所 得的C/C-SiC復(fù)合材料作為對(duì)比樣品1，其性能測試結(jié)果見表1。
[010引對(duì)比例2:
[0109] 本對(duì)比例的制備過程與實(shí)施例1基本相同，區(qū)別在于本對(duì)比例中沒有步驟3)~5)， 步驟2)所得的C/C-SiC復(fù)合材料中間體作為對(duì)比樣品2,其性能測試結(jié)果見表1。
[0110] 對(duì)樣品1~5和對(duì)比例樣品1~2進(jìn)行材料力學(xué)性能、熱學(xué)性能測試和試環(huán)摩擦磨損 性能測試，所得結(jié)果列于表1。
[OW] 表1樣品1~5和對(duì)比例樣品1~2的性能測試結(jié)果
[0112]
[0113」對(duì)表1性能測試數(shù)據(jù)分化如下：
[0114] 1、由表1可見，本發(fā)明采用聯(lián)合工藝制備的C/C-SiC復(fù)合材料，由于先通過CVI引入 了晶粒細(xì)小的CVI SiC基體，再采用GSI原位反應(yīng)生成了GSI SiC基體，使得復(fù)合材料進(jìn)一步 致密化，與單一采用滲硅烷結(jié)(對(duì)比例1)或CVK對(duì)比例2)引入碳化娃制備得到的對(duì)比樣品 相比，本發(fā)明的復(fù)合材料強(qiáng)度和模量更高；由于復(fù)合材料致密度高，其熱導(dǎo)率相應(yīng)也比單一 工藝制備的復(fù)合材料更高。
[0115] 2、摩擦系數(shù)和磨損率是衡量摩擦材料摩擦性能的綜合考量指標(biāo)。由表1可見，單一 采用GSI制備的致密復(fù)合材料(對(duì)比樣品1)摩擦系數(shù)大，但磨損率也大;單一 CVI制備的C/C- SiC復(fù)合材料(對(duì)比樣品2)因 SiC含量少，磨損小，但是摩擦系數(shù)低，需要用很大的力才能剎 住車，實(shí)際上難W應(yīng)用。本發(fā)明采用聯(lián)合工藝制備的C/C-SiC復(fù)合材料，結(jié)合了上述兩者的 優(yōu)點(diǎn)，得到的C/C-SiC復(fù)合材料具有高摩擦系數(shù)、低磨損率的特點(diǎn)，摩擦系數(shù)和磨損率匹配 佳，摩擦性能更優(yōu)異。
[0116] 另外，與未除Si封孔所得的C/C-SiC復(fù)合材料(樣品6)相比，經(jīng)除Si封孔所得的C/ C-SiC復(fù)合材料(樣品1~4)的力學(xué)性能和摩擦性能更優(yōu)異。
[0117] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施 例。凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)該指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下的改進(jìn)和潤飾，運(yùn)些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種C/C-SiC復(fù)合材料，包括碳纖維預(yù)制件、碳基體和碳化娃基體，其特征在于，所述 碳基體和碳化硅基體均勻填充于所述碳纖維預(yù)制件的孔隙中，所述碳化硅基體包括第一碳 化硅基體和第二碳化硅基體，所述第二碳化硅基體由氣相滲硅燒結(jié)工藝引入。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的C/C-SiC復(fù)合材料，其特征在于，所述C/C-SiC復(fù)合材料中不含 殘留硅。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的C/C-SiC復(fù)合材料，其特征在于，所述第一碳化硅基體由化學(xué) 氣相滲透工藝引入。4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3任一項(xiàng)所述的C/C-SiC復(fù)合材料，其特征在于，所述C/C-SiC復(fù)合 材料中，所述碳基體的體積分?jǐn)?shù)為20%~40%，所述第一碳化硅基體的體積分?jǐn)?shù)為10%~ 25%，所述第二碳化硅基體的體積分?jǐn)?shù)為15%~25%，孔隙率為0%~5%。5. -種C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟： (1) 引入碳基體:采用化學(xué)氣相滲透工藝在碳纖維立體針刺氈內(nèi)沉積碳基體，得到C/C 復(fù)合材料； (2) 引入碳化娃基體： (2.1) 采用化學(xué)氣相滲透工藝在步驟（1)所得C/C復(fù)合材料中沉積碳化硅基體，得到C/ C-SiC復(fù)合材料中間體； (2.2) 在真空條件下，對(duì)步驟(2.1)所得C/C-SiC復(fù)合材料中間體進(jìn)行氣相滲硅燒結(jié)，得 到C/C-SiC復(fù)合材料。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟（2)之后還包 括： (3) 刻蝕除硅:將步驟(2.2)所得C/C-SiC復(fù)合材料置于氫氟酸中浸泡。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)之后還包 括： (4) 封孔:采用化學(xué)氣相沉積工藝在步驟(3)經(jīng)浸泡后的C/C-SiC復(fù)合材料表面沉積SiC 涂層。8. 根據(jù)權(quán)利要求5~7任一項(xiàng)所述的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步 驟（1)中，所述C/C復(fù)合材料中碳基體的體積分?jǐn)?shù)為30%~45% ;所述步驟(2.1)中，所述C/ C-SiC復(fù)合材料中間體中SiC基體的體積分?jǐn)?shù)為10 %~25 %。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟（2.2) 中，燒結(jié)溫度為1450°C~1600°C，真空度為10Pa~lOOPa，保溫時(shí)間為lh~6h;所述步驟(3) 中，所述浸泡時(shí)間為24h~48h;所述步驟(4)中，所述SiC涂層厚度為5μηι~ΙΟμπι。10. -種如權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的C/C-SiC復(fù)合材料或權(quán)利要求5~9任一項(xiàng)所述 的C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法所制備的C/C-SiC復(fù)合材料作為摩擦材料的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C04B35/83GK106064951SQ201610402611
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日 公開號(hào)201610402611.8, CN 106064951 A, CN 106064951A, CN 201610402611, CN-A-106064951, CN106064951 A, CN106064951A, CN201610402611, CN201610402611.8
【發(fā)明人】劉榮軍, 曹英斌, 傅祥博, 張長瑞, 袁立, 王衍飛, 龍憲海, 賀鵬博, 嚴(yán)春雷
【申請(qǐng)人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)