CN113698220A - 一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法及纤维增强碳化硅复合材料 - Google Patents
一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法及纤维增强碳化硅复合材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113698220A CN113698220A CN202111130679.2A CN202111130679A CN113698220A CN 113698220 A CN113698220 A CN 113698220A CN 202111130679 A CN202111130679 A CN 202111130679A CN 113698220 A CN113698220 A CN 113698220A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon carbide
- fiber
- composite material
- carbide composite
- reinforced
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 99
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 97
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 56
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims abstract description 36
- 235000015895 biscuits Nutrition 0.000 claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000005475 siliconizing Methods 0.000 claims abstract description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 41
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N EtOH Substances CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical group [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 24
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical group NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical group [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N glycerol group Chemical group OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 13
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 12
- YCIMNLLNPGFGHC-UHFFFAOYSA-N catechol Chemical group OC1=CC=CC=C1O YCIMNLLNPGFGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 claims description 11
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims description 10
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 9
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 claims description 9
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims description 9
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 claims description 9
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 9
- ZIUHHBKFKCYYJD-UHFFFAOYSA-N n,n'-methylenebisacrylamide Chemical group C=CC(=O)NCNC(=O)C=C ZIUHHBKFKCYYJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 claims description 9
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 claims description 9
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 9
- 238000004513 sizing Methods 0.000 claims description 9
- 238000007872 degassing Methods 0.000 claims description 6
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 6
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 6
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 claims description 6
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N phenol group Chemical group C1(=CC=CC=C1)O ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 claims description 6
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 6
- 238000009849 vacuum degassing Methods 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 239000008096 xylene Substances 0.000 claims description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 7
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 abstract description 6
- 238000007711 solidification Methods 0.000 abstract description 6
- 230000008023 solidification Effects 0.000 abstract description 6
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 22
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 22
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 21
- KWYHDKDOAIKMQN-UHFFFAOYSA-N N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine Chemical group CN(C)CCN(C)C KWYHDKDOAIKMQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 6
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
- C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
- C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
- C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
- C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
- C04B35/571—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide obtained from Si-containing polymer precursors or organosilicon monomers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
- C04B2235/616—Liquid infiltration of green bodies or pre-forms
Abstract
本发明提供了一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，属于纤维增强碳化硅复合材料技术领域，采用真空加压浸渍辅助凝胶注模成型的方法，将碳化硅微粉分散到增强纤维内部，实现原位固化，素坯干燥脱脂后，采用有机物浸渍的方法，在多孔素坯内部引入碳源或碳化硅基体，最后渗硅烧结得到致密的纤维增强碳化硅复合材料。本发明还提供一种上述制备方法得到的纤维增强碳化硅复合材料。本发明的制备方法，将真空加压浸渍与凝胶注模成型的方法结合起来，能够实现碳化硅颗粒在增强纤维内部均匀、原位固化，相对其他制备方法，可以大大缩短生产周期；同时，采用有机物浸渍裂解的方法在多孔素坯中引入碳源或碳化硅基体，能够有效控制复合材料内部残硅量。
Description
技术领域
本发明属于纤维增强碳化硅复合材料技术领域，涉及一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法及纤维增强碳化硅复合材料。
背景技术
纤维增强碳化硅复合材料具有密度低、高强度、高模量、高比刚度、断裂韧性好，导热性能好，热膨胀系数低，耐高温、耐空间辐照等优点，在航空航天、核能、汽车、化工以及光机结构材料方面都有很大的应用潜力。采用纤维毡/纤维编织体作为增强体能够充分发挥纤维的韧性，纤维增强碳化硅复合材料现有的制备方法包括先驱体浸渍裂解(PIP)及化学气相沉积(CVI)方法，但均存在生产周期长的问题。浆料浸渍结合反应熔渗的方法制备复合材料方法简单，生产周期短，然而目前常选用纤维布浸渍浆料再层叠热压的工艺进行制备，三维纤维毡/纤维编织体直接浸渍的方法较少。
采用凝胶注模成型方法制备碳化硅材料具有素坯密度大、强度高、微观结构均匀，且能够实现大尺寸复杂形状的近净尺寸成型。目前尚未见采用凝胶注模成型方法制备纤维增强碳化硅复合材料的文献报道。
因此，急需研究一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，解决纤维增强碳化硅复合材料的现有制备方法生产周期长的技术问题，改善碳化硅在增强纤维上的分散均匀性，使制备得到的纤维增强碳化硅复合材料具有良好的力学性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的是提供一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法及纤维增强碳化硅复合材料，将真空加压浸渍与凝胶注模成型的方法结合起来，能够实现碳化硅颗粒在增强纤维内部均匀、原位固化，相对其他制备方法，可以大大缩短生产周期；同时，采用有机物浸渍裂解的方法在多孔素坯中引入碳源或碳化硅基体，能够有效控制复合材料内部残硅量。
为实现上述目的，本发明提供一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：预混液配制，按体积比具有以下原料组成：单体与交联剂加入量为10～20％，单体与交联剂质量比(10～15)：1；增塑剂1-10％，阻聚剂1-5％，分散剂3-5％，其余为去离子水，以上所有原料的体积百分含量总和为100％；
S2：浆料配制，将碳化硅微粉均匀分散于所述预混液中，其中，碳化硅微粉的体积分数为30％-45％；
S3：对所述浆料进行真空除气处理后，加入催化剂和引发剂，并搅拌均匀，得到浸渍浆料；
S4：对增强纤维进行处理除去表面上浆剂后，置于真空加压模具中抽真空一段时间；
S5：之后真空导入浸渍所述浸渍浆料直至浸没增强纤维，施压后保压一段时间，使浸渍浆料充分浸渍于增强纤维内部；
S6：之后充分固化、脱模，干燥处理得到素坯；
S7：对素坯进行脱脂处理；
S8：对脱脂处理后的素坯，采用有机物溶液浸渍后裂解处理；
S9：对有机物浸渍裂解后的素坯，进行渗硅烧结反应，得到所述纤维增强碳化硅复合材料。
进一步地，增强纤维为纤维毡或纤维编织体。
进一步地，单体为丙烯酰胺(AM)，交联剂为N,N`-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)，增塑剂为丙三醇，阻聚剂为邻苯二酚，分散剂为四甲基氢氧化铵(TMAH)，催化剂为过硫酸铵，引发剂为N,N,N,N-四甲基乙二铵；
有机物溶液为酚醛树脂-乙醇溶液，或聚碳硅烷-二甲苯溶液，或其他碳或碳化硅先驱体溶液；
当有机物溶液为酚醛树脂-乙醇溶液时，酚醛树脂与乙醇的含量比为100g～150g/100mL；
催化剂的浓度为20mmol/L，引发剂的浓度为4mmol/L，采用机械搅拌的方式分散均匀。
进一步地，碳化硅微粉的粒度200nm～3μm，将碳化硅微粉均匀分散于所述预混液中具体为：先利用机械搅拌初步分散，再加入碳化硅磨球，球混3-5h。
进一步地，对所述浆料进行真空除气处理具体为：将所述浆料置于抽气瓶中，抽真空除气3-5min。
进一步地，所述步骤S4具体为：将增强纤维置于真空烧结炉中热处理除去表面浆剂，热处理温度为1000℃，保温1h，之后置于真空加压模具中抽真空15-35min；
所述步骤S5中施压压力为0-10Mpa，保压时间为10-40min。
进一步地，所述步骤S6中的干燥处理为室温下自然干燥120h，或采用液体干燥；
所述步骤S7中的脱脂处理，脱脂温度为1600℃-1700℃，脱脂时间为1-2h。
进一步地，所述步骤S8中采用有机物溶液浸渍后裂解处理，反复循环1-12次。
进一步地，所述步骤S9中采用液相渗硅的方法，烧结温度为1500℃-1700℃，烧结时间为1-4h。
本发明还提供一种纤维增强碳化硅复合材料，采用如上所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法制备得到。
本发明采用上述技术方案的优点是：
1)能够缩短产品的生产周期，相对于CVI和PIP的方法来说，本发明先将大量碳化硅微粉预先引入到增强纤维的内部，大大减少了碳化硅基体的生成周期。
2)能够实现碳化硅微粉的原位固化，将碳化硅微粉分散到凝胶注模预混液中，并在真空加压的状态下均匀分散到增强纤维的内部，凝胶固化时产生的高分子网络将碳化硅微粉包裹起来，同时能在增强纤维的内部分散均匀。
3)通过有机物浸渍裂解的方法，在多孔素坯内部引入碳源或碳化硅基体，通过控制有机物浸渍裂解次数，可以控制复合材料内部的残硅量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的纤维增强碳化硅复合材料的制备工艺流程示意图；
图2为实施例1制备的纤维增强碳化硅复合材料的SEM微观形貌图；
图3为实施例2制备的纤维增强碳化硅复合材料的SEM微观形貌图；
图4为实施例3制备的纤维增强碳化硅复合材料的SEM微观形貌图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：预混液配制，按体积比具有以下原料组成：单体与交联剂加入量为10～20％，单体与交联剂质量比(10～15)：1；增塑剂1-10％，阻聚剂1-5％，分散剂3-5％，其余为去离子水，以上所有原料的体积百分含量总和为100％；
S2：浆料配制，将碳化硅微粉均匀分散于所述预混液中，其中，碳化硅微粉的体积分数为30％-45％；
S3：对所述浆料进行真空除气处理后，加入催化剂和引发剂，并搅拌均匀，得到浸渍浆料；
S4：对增强纤维进行处理除去表面上浆剂后，置于真空加压模具中抽真空一段时间；
S5：之后真空导入浸渍所述浸渍浆料直至浸没增强纤维，施压后保压一段时间，使浸渍浆料充分浸渍于增强纤维内部；
S6：之后充分固化、脱模，干燥处理得到素坯；
S7：对素坯进行脱脂处理；
S8：对脱脂处理后的素坯，采用有机物溶液浸渍后裂解处理；
S9：对有机物浸渍裂解后的素坯，进行渗硅烧结反应，得到所述纤维增强碳化硅复合材料。
其中，增强纤维可以为纤维毡或纤维编织体，单体可以选择丙烯酰胺(AM)，交联剂可以选择N,N`-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)，增塑剂可以选择丙三醇，阻聚剂可以选择邻苯二酚，分散剂可以选择四甲基氢氧化铵(TMAH)，催化剂可以选择过硫酸铵，引发剂可以选择N,N,N,N-四甲基乙二铵。有机物溶液为酚醛树脂-乙醇溶液，或聚碳硅烷-二甲苯溶液，或其他碳或碳化硅先驱体溶液；当有机物溶液为酚醛树脂-乙醇溶液时，有机物溶液为酚醛树脂-乙醇溶液，酚醛树脂与乙醇的含量比为100g～150g/100mL；催化剂的浓度为20mmol/L，引发剂的浓度为4mmol/L，采用机械搅拌的方式分散均匀。
其中，碳化硅微粉的粒度优选为200nm～3μm，将碳化硅微粉均匀分散于所述预混液中具体为：先利用机械搅拌初步分散，再加入碳化硅磨球，球混3-5h。
其中，对所述浆料进行真空除气处理具体为：将所述浆料置于抽气瓶中，抽真空除气3-5min。
其中，所述步骤S4具体为：将增强纤维置于真空烧结炉中热处理除去表面浆剂，热处理温度为1000℃，保温1h，之后置于真空加压模具中抽真空15-35min；
所述步骤S5中施压压力为0-10Mpa，保压时间为10-40min。
其中，所述步骤S6中的干燥处理为室温下自然干燥120h，或采用液体干燥；
所述步骤S7中的脱脂处理，脱脂温度为1600℃-1700℃，脱脂时间为1-2h。
其中，所述步骤S8中采用有机物溶液浸渍后裂解处理，反复循环1-12次。
其中，所述步骤S9中采用液相渗硅的方法，烧结温度为1500℃-1700℃，烧结时间为1-4h。
本发明还提供一种纤维增强碳化硅复合材料，采用如上所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法制备得到。
实施例1
纤维增强碳化硅复合材料的制备过程如下：
S1：预混液配制，按体积比具有以下原料组成：丙烯酰胺(AM)与N,N`-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)加入量为20％，丙烯酰胺(AM)与N,N`-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)质量比10：1；丙三醇2％，邻苯二酚2％，四甲基氢氧化铵(TMAH)5％，去离子水71％。
S2：浆料配制，将碳化硅微粉采用机械搅拌的方法均匀分散于所述预混液中，其中，碳化硅微粉的体积分数为35％；其中，碳化硅微粉的粒度为1μm。
S3：将所述浆料置于抽气瓶中，抽真空除气3min，加入过硫酸铵和N,N,N,N-四甲基乙二铵，并机械搅拌均匀，得到浸渍浆料；其中，过硫酸铵的浓度为20mmol/L，N,N,N,N-四甲基乙二铵的浓度为4mmol/L。
S4：将碳纤维毡(密度0.29c/cm3)置于真空烧结炉中热处理除去表面浆剂，热处理温度为1000℃，保温1h，之后置于真空加压模具中抽真空20min去除碳纤维毡内部及表面吸附的气体。
S5：之后真空导入浸渍所述浸渍浆料直至浸没炭纤维毡，采用带压力表千斤顶对模具施加压力3MPa左右，保压15min，使浸渍浆料充分浸渍于碳纤维毡内部。
S6：将真空加压模具放置一段时间，保证浸渍浆料在碳纤维毡内部充分固化后脱模，室温下自然干燥120h，得到素坯。
S7：对素坯进行高温脱脂处理，脱脂温度为1600℃，脱脂时间为2h。
S8：对脱脂处理后的素坯，采用酚醛树脂/乙醇溶液浸渍后高温裂解处理，反复循环3次，其中，酚醛树脂与乙醇的含量比为150g/100mL。
S9：对浸渍裂解后的素坯，采用液相渗硅的方法，将硅块置于素坯的上部，烧结温度为1550℃，烧结时间为2h。
如图2所示，为实施例1制备的纤维增强碳化硅复合材料的SEM微观形貌图。
实施例2
纤维增强碳化硅复合材料的制备过程如下：
S1：预混液配制，按体积比具有以下原料组成：丙烯酰胺(AM)与N,N`-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)加入量为10％，丙烯酰胺(AM)与N,N`-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)质量比13：1；丙三醇5％，邻苯二酚1％，四甲基氢氧化铵(TMAH)3％，去离子水81％。
S2：浆料配制，将碳化硅微粉采用机械搅拌的方法均匀分散于所述预混液中，再放入碳化硅磨球，球磨3h，其中，碳化硅微粉的体积分数为30％；其中，碳化硅微粉的粒度为0.5μm。
S3：将所述浆料置于抽气瓶中，抽真空除气5min，加入过硫酸铵和N,N,N,N-四甲基乙二铵，并机械搅拌均匀，得到浸渍浆料；其中，过硫酸铵的浓度为20mmol/L，N,N,N,N-四甲基乙二铵的浓度为4mmol/L。
S4：将碳纤维毡(密度0.29c/cm3)置于真空烧结炉中热处理除去表面浆剂，热处理温度为1000℃，保温1h，之后置于真空加压模具中抽真空35min去除碳纤维毡内部及表面吸附的气体。
S5：之后真空导入浸渍所述浸渍浆料直至浸没碳纤维毡，采用带压力表千斤顶对模具施加压力2MPa左右，保压10min，使浸渍浆料充分浸渍于碳纤维毡内部。
S6：将真空加压模具放置一段时间，保证浸渍浆料在碳纤维毡内部充分固化后脱模，室温下自然干燥120h，得到素坯。
S7：对素坯进行高温脱脂处理，脱脂温度为1700℃，脱脂时间为1h。
S8：对脱脂处理后的素坯，采用酚醛树脂/乙醇溶液浸渍后高温裂解处理，反复循环2次，其中，酚醛树脂与乙醇的含量比为150g/100mL。
S9：对浸渍裂解后的素坯，采用液相渗硅的方法，将硅块置于素坯的上部，烧结温度为1600℃，烧结时间为2h。
如图3所示，为实施例2制备的纤维增强碳化硅复合材料的SEM微观形貌图。
实施例3
纤维增强碳化硅复合材料的制备过程如下：
S1：预混液配制，按体积比具有以下原料组成：丙烯酰胺(AM)与N,N`-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)加入量为15％，丙烯酰胺(AM)与N,N`-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)质量比15：1；丙三醇10％，邻苯二酚6％，四甲基氢氧化铵(TMAH)3％，去离子水66％。
S2：浆料配制，将碳化硅微粉采用机械搅拌的方法均匀分散于所述预混液中，再放入碳化硅磨球，球磨3h，其中，碳化硅微粉的体积分数为35％；其中，碳化硅微粉的粒度为1μm。
S3：将所述浆料置于抽气瓶中，抽真空除气5min，加入过硫酸铵和N,N,N,N-四甲基乙二铵，并机械搅拌均匀，得到浸渍浆料；其中，过硫酸铵的浓度为20mmol/L，N,N,N,N-四甲基乙二铵的浓度为4mmol/L。
S4：将碳纤维毡(密度0.29c/cm3)置于真空烧结炉中热处理除去表面浆剂，热处理温度为1000℃，保温1h，之后置于真空加压模具中抽真空15min去除碳纤维毡内部及表面吸附的气体。
S5：之后真空导入浸渍所述浸渍浆料直至浸没碳纤维毡，采用带压力表千斤顶对模具施加压力1MPa左右，保压20min，使浸渍浆料充分浸渍于碳纤维毡内部。
S6：将真空加压模具放置一段时间，保证浸渍浆料在碳纤维毡内部充分固化后脱模，室温下自然干燥120h，得到素坯。
S7：对素坯进行高温脱脂处理，脱脂温度为1620℃，脱脂时间为2h。
S8：对脱脂处理后的素坯，采用酚醛树脂/乙醇溶液浸渍后高温裂解处理，反复循环2次，其中，酚醛树脂与乙醇的含量比为100g/100mL。
S9：对浸渍裂解后的素坯，采用液相渗硅的方法，将硅块置于素坯的上部，烧结温度为1500℃，烧结时间为2h。
如图4所示，为实施例3制备的纤维增强碳化硅复合材料的SEM微观形貌图。
此外，还对实施例1-3制备的纤维增强碳化硅复合材料的力学性能进行了测试，结果如下表1所示：
表1实施例1-3制备的纤维增强碳化硅复合材料的性能测试表
| 密度/(g/cm<sup>3</sup>) | 开气孔率/％ | 抗弯强度/MPa | 弹性模量/GPa | |
| 实施例1 | 2.86 | ＜0.01 | 260.2±14.1 | 303.7±51.2 |
| 实施例2 | 2.86 | 0.03 | 148.2±36.7 | 352.6±32.3 |
| 实施例3 | 2.83 | 8.27 | 73.4±22.4 | 298.9±118.0 |
从上表数据能够看出，对于密度为0.29g/cm3的碳纤维毡，随着浸渍压力的增加，素坯的密度增加，材料的密度和抗弯强度也随之增加，材料开气孔率下降。说明浸渍压力会影响纤维毡的浸渍效果，从而影响材料的力学性能。从实施例1-3的SEM微观形貌图中也能看出，浸渍压力低样品的残硅量较大，而残硅量的区别也会影响材料力学性能。采用本发明方法制备纤维增强碳化硅复合材料时，可根据实际情况及应用需求，调整试验参数。
本发明的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法的优点是：
1)能够缩短产品的生产周期，相对于CVI和PIP的方法来说，本发明先将大量碳化硅微粉预先引入到增强纤维的内部，大大减少了碳化硅基体的生成周期。
2)能够实现碳化硅微粉的原位固化，将碳化硅微粉分散到凝胶注模预混液中，并在真空加压的状态下均匀分散到增强纤维的内部，凝胶固化时产生的高分子网络将碳化硅微粉包裹起来，同时能在增强纤维的内部分散均匀。
3)通过有机物浸渍裂解的方法，在多孔素坯内部引入碳源或碳化硅基体，通过控制有机物浸渍裂解次数，可以控制复合材料内部的残硅量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预混液配制，按体积比具有以下原料组成：单体与交联剂加入量为10～20％，单体与交联剂质量比(10～15)：1；增塑剂1-10％，阻聚剂1-5％，分散剂3-5％，其余为去离子水，以上所有原料的体积百分含量总和为100％；
S2：浆料配制，将碳化硅微粉均匀分散于所述预混液中，其中，碳化硅微粉的体积分数为30％-45％；
S3：对所述浆料进行真空除气处理后，加入催化剂和引发剂，并搅拌均匀，得到浸渍浆料；
S4：对增强纤维进行处理除去表面上浆剂后，置于真空加压模具中抽真空一段时间；
S5：之后真空导入浸渍所述浸渍浆料直至浸没增强纤维，施压后保压一段时间，使浸渍浆料充分浸渍于增强纤维内部；
S6：之后充分固化、脱模，干燥处理得到素坯；
S7：对素坯进行脱脂处理；
S8：对脱脂处理后的素坯，采用有机物溶液浸渍后裂解处理；
S9：对有机物浸渍裂解后的素坯，进行渗硅烧结反应，得到所述纤维增强碳化硅复合材料。
2.根据权利要求1所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，增强纤维为纤维毡或纤维编织体。
3.根据权利要求1所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，单体为丙烯酰胺(AM)，交联剂为N,N`-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)，增塑剂为丙三醇，阻聚剂为邻苯二酚，分散剂为四甲基氢氧化铵(TMAH)，催化剂为过硫酸铵，引发剂为N,N,N,N-四甲基乙二铵；
有机物溶液为酚醛树脂-乙醇溶液，或聚碳硅烷-二甲苯溶液，或其他碳或碳化硅先驱体溶液；
当有机物溶液为酚醛树脂-乙醇溶液时，酚醛树脂与乙醇的含量比为100g～150g/100mL；
催化剂的浓度为20mmol/L，引发剂的浓度为4mmol/L，采用机械搅拌的方式分散均匀。
4.根据权利要求1所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，碳化硅微粉的粒度200nm～3μm，将碳化硅微粉均匀分散于所述预混液中具体为：先利用机械搅拌初步分散，再加入碳化硅磨球，球混3-5h。
5.根据权利要求1所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，对所述浆料进行真空除气处理具体为：将所述浆料置于抽气瓶中，抽真空除气3-5min。
6.根据权利要求1所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：将增强纤维置于真空烧结炉中热处理除去表面浆剂，热处理温度为1000℃，保温1h，之后置于真空加压模具中抽真空15-35min；
所述步骤S5中施压压力为0-10Mpa，保压时间为10-40min。
7.根据权利要求1所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中的干燥处理为室温下自然干燥120h，或采用液体干燥；
所述步骤S7中的脱脂处理，脱脂温度为1600℃-1700℃，脱脂时间为1-2h。
8.根据权利要求1所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S8中采用有机物溶液浸渍后裂解处理，反复循环1-12次。
9.根据权利要求1所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S9中采用渗硅的方法，烧结温度为1500℃-1700℃，烧结时间为1-4h。
10.一种纤维增强碳化硅复合材料，其特征在于，采用如权利要求1-9任意一项所述的纤维增强碳化硅复合材料的制备方法制备得到。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111130679.2A CN113698220A (zh) | 2021-09-26 | 2021-09-26 | 一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法及纤维增强碳化硅复合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111130679.2A CN113698220A (zh) | 2021-09-26 | 2021-09-26 | 一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法及纤维增强碳化硅复合材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113698220A true CN113698220A (zh) | 2021-11-26 |
Family
ID=78661887
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111130679.2A Pending CN113698220A (zh) | 2021-09-26 | 2021-09-26 | 一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法及纤维增强碳化硅复合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113698220A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114773066A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-07-22 | 醴陵市凯德特种陶瓷有限公司 | 一种增韧碳化硅陶瓷窑具平板制造方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030145934A1 (en) * | 1999-03-01 | 2003-08-07 | Agency Of Industrial Science And Technology | Process for producing fiber-reinforced silicon carbide composites |
| CN1850730A (zh) * | 2006-05-26 | 2006-10-25 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 气相渗硅工艺制备碳纤维增强碳化硅基复合材料的方法 |
| CN101941231A (zh) * | 2010-09-09 | 2011-01-12 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的凝胶注模成型工艺 |
| CN103113123A (zh) * | 2013-02-04 | 2013-05-22 | 西安交通大学 | 一种SiCf/SiC 陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法 |
| CN104478460A (zh) * | 2014-12-15 | 2015-04-01 | 佛山市中国科学院上海硅酸盐研究所陶瓷研发中心 | 一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法 |
| CN109485444A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-03-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法 |
-
2021
- 2021-09-26 CN CN202111130679.2A patent/CN113698220A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030145934A1 (en) * | 1999-03-01 | 2003-08-07 | Agency Of Industrial Science And Technology | Process for producing fiber-reinforced silicon carbide composites |
| CN1850730A (zh) * | 2006-05-26 | 2006-10-25 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 气相渗硅工艺制备碳纤维增强碳化硅基复合材料的方法 |
| CN101941231A (zh) * | 2010-09-09 | 2011-01-12 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的凝胶注模成型工艺 |
| CN103113123A (zh) * | 2013-02-04 | 2013-05-22 | 西安交通大学 | 一种SiCf/SiC 陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法 |
| CN104478460A (zh) * | 2014-12-15 | 2015-04-01 | 佛山市中国科学院上海硅酸盐研究所陶瓷研发中心 | 一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法 |
| CN109485444A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-03-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张舸等: "空间用反应烧结碳化硅反射镜坯体制备技术研究", 《空间科学学报》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114773066A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-07-22 | 醴陵市凯德特种陶瓷有限公司 | 一种增韧碳化硅陶瓷窑具平板制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110028330B (zh) | 一种陶瓷基复合材料及其制备方法 | |
| CN103113123B (zh) | 一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法 | |
| CN110951210B (zh) | 高强度纳米孔可陶瓷化烧蚀防热复合材料及其制备方法 | |
| CN103708846B (zh) | 一种C/C-SiC复合材料的制备方法 | |
| CN106882974B (zh) | 一种高HfC含量C/HfC-SiC复合材料的制备方法 | |
| CN115636681B (zh) | 一种氮化物纤维增强氮化硅复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN107556011A (zh) | SiCf/SiC复合材料及其制备方法 | |
| CN105110807B (zh) | 用含硅芳炔树脂制备的C/C‑SiC复合材料及其制备方法 | |
| CN105152672A (zh) | Cf/(BN-SiC)复合材料的制备方法 | |
| CN112341234A (zh) | 一种低成本、高强度纤维增强纳米多孔炭复合材料的制备方法 | |
| CN108101566A (zh) | Rtm工艺辅助制备碳化硅陶瓷基复合材料构件的方法 | |
| CN110627514A (zh) | 一种C/SiC-HfB2复合材料及其制备方法 | |
| CN110642634A (zh) | 一种C/SiC-ZrB2复合材料及其制备方法 | |
| CN110951103A (zh) | 碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料及其制备方法和碳纤维增强炭气凝胶复合材料 | |
| CN108129156A (zh) | 一种碳陶复合材料及其先驱体浸渍制备方法 | |
| CN106699210B (zh) | 一种碳陶制动件及其制备方法 | |
| CN113698220A (zh) | 一种纤维增强碳化硅复合材料的制备方法及纤维增强碳化硅复合材料 | |
| CN110028329B (zh) | 一种高导热陶瓷基复合材料及其制备方法 | |
| CN113121253B (zh) | 一种超高温C/SiHfBCN陶瓷基复合材料及其制备方法 | |
| CN114436669A (zh) | 一种一维高导热c/c复合材料的制备方法 | |
| CN113754455A (zh) | 多尺度增韧铺层结构吸波陶瓷基复合材料及其制备方法 | |
| CN110963798B (zh) | 一种木炭增强碳化硅基复合材料的制备方法 | |
| CN106882975A (zh) | 一种c/c复合材料的制备方法 | |
| CN113896557B (zh) | 一种C/ZrC-SiC复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN113773043B (zh) | 低密度炭纤维增强炭气凝胶复合材料的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211126 |