一種Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭的製備方法
2023-09-20 10:35:50 1
專利名稱：一種Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭的製備方法。
背景技術：
Cf/SiC複合材料充分結合了碳纖維和SiC基體的優勢，表現出低密度、高強度、高韌性、耐高溫、耐燒蝕、抗衝刷、高硬度和高耐磨性等特點，適合作為高溫結構材料，在高性能武器裝備、航空航天、能源技術、化工、交通工業等領域具有廣闊的應用前景。但現有Cf/ SiC複合材料加工性能較差，很難直接成型出尺寸大或形狀複雜的構件，通常需要通過連接技術來實現，因此，Cf/SiC複合材料自身間的連接及其與金屬間的連接問題是Cf/SiC複合材料廣泛應用必須要解決的關鍵問題。現有Cf/SiC複合材料連接存在的主要問題有以下幾點(1) Cf/SiC複合材料的熔點較高且高溫下可分解使其難於採用熔焊方法進行連接；(2) Cf/SiC複合材料的導電性能較差，使其難於採用電弧或電阻焊的方法進行焊接；C3) Cf/SiC 複合材料的塑性缺乏使之無法用施加大壓力的方法進行固相連接；(4) Cf/SiC複合材料的化學惰性使之因不易潤溼而造成釺焊困難；(5) Cf/SiC複合材料的各向異性以及與連接層的熱膨脹係數的差異，使得連接件的可靠性難以得到保障。
發明內容
本發明的目的在於克服現有Cf/SiC複合材料連接存在的主要問題，提供一種Cf/ SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭的製備方法。以實現減少Cf/SiC複合材料複雜微觀結構對連接不利影響，降低連接層熱膨脹係數，減小接頭熱應力的影響的目的。本發明的技術方案是以單散的氧化矽凝膠小球為模板原料，採用自然沉降法製備(^/3比複合材料氧化矽凝膠小球接頭模板，之後用陶瓷先驅體聚碳矽烷(PCQ浸漬上述模板，浸漬完成後以隊為保護氣體，利用常壓高溫裂解法使陶瓷先驅體PCS轉化為SiC陶瓷，再用氫氟酸腐蝕掉氧化矽凝膠小球，即製得Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭。本發明具體包括以下步驟
(1)模板原料的製備將單分散性氧化矽凝膠小球和無水乙醇溶液按質量比為1:25 1:15加入燒杯中，進行超聲振蕩0. 5 lh，取出燒杯靜置5 30min，分離出上層的氧化矽凝膠小球無水乙醇乳濁液待用，下層氧化矽凝膠小球沉積物烘乾後繼續使用；
(2)接頭模板的製備將複合材料矩形小片放入高型玻璃器皿中，注入氧化矽凝膠小球無水乙醇乳濁液，注入高度為15 30cm，靜置7 14d後，用注射器小心移走上層無水乙醇溶液後，讓其自然乾燥；得到表面沉積有厚度為2 4mm氧化矽凝膠小球的Cf/SiC複合材料矩形小片；
(3)先驅體的滲入小心取出沉積有氧化矽凝膠小球的Cf/SiC複合材料矩形小片，將其置於裝有氣密性分液漏鬥的三口燒瓶中，抽真空，待燒瓶內壓力為2 5kPa時停止抽真空，向燒瓶中注入陶瓷先驅體溶液進行真空浸漬8 12h，浸漬完成後，進行減壓蒸餾除去溶劑；(4)模板中先驅體的陶瓷化小心取出滲有陶瓷先驅體且表面沉積有氧化矽凝膠小球的Cf/SiC複合材料矩形小片，將其放入瓷方舟中於隊保護下在900 1300°C進行高溫裂解；
(5)模板的去除將高溫裂解後&Cf/SiC複合材料矩形小片置於塑料器皿中，注入 30 50wt%的氫氟酸溶液，待溶液完全淹沒上述矩形小片整體時停止注入，靜置5 10h， 即製得孔與孔之間是連通的Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭。所述單分散性氧化矽凝膠小球的粒徑50 600nm。所述複合材料矩形小片的大小為15 25mmX 10 15mmX4 8mm。所述陶瓷先驅體溶液為30 50wt%的聚碳矽烷四氫呋喃溶液或聚甲基矽烷四氫呋喃溶液，或30 50wt%的聚碳矽烷二甲苯溶液或聚甲基矽烷二甲苯溶液。製備的Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭可用於Cf/SiC複合材料自身間的連接及其與金屬的連接。本發明具有如下優點製備的Cf/SiC複合材料多孔陶瓷接頭有序性較好，可達納米級，且孔與孔之間是連通的。這就便於Cf/SiC複合材料自身間的連接及其與金屬的連接時陶瓷先驅體溶液的滲入，同時有序多孔結構使得連接的目標材料易於嵌入到多孔結構中形成緻密的梯度過渡層，使目標材料「紮根」於有序多孔接頭中以增強連接強度，進而實現材料或構件的有效連接。
圖1為實施例1 Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭的掃描電鏡照片；
圖2為實施例1有序陶瓷接頭與Cf/SiC複合材料結合界面的掃描電鏡照片； 圖3為實施例1多孔陶瓷接頭端的χ-射線衍射圖譜。
具體實施例方式
以下結合實施例對本發明作進一步說明。
實施例1
將粒徑500nm的單分散性氧化矽凝膠小球和無水乙醇溶液按質量比為1:20加入燒杯中進行超聲振蕩分散均勻，超聲時間為lh，超聲振蕩完畢後，取出燒杯靜置lOmin，之後移走燒杯中的上層乳濁液待用；
在放有15mmX IOmmX 5mm的清洗潔淨的Cf/SiC複合材料矩形小片的高型玻璃器皿中， 注入上述乳濁液，注入高度為20cm，靜置時10d，靜置完畢後，用注射器小心移走上層無水乙醇溶液，之後讓其自然乾燥；待自然乾燥完畢後，小心取出表面沉積有氧化矽凝膠小球 (沉積厚度為3mm)的Cf/SiC複合材料矩形小片，將其置於250ml三口燒瓶中，燒瓶裝上氣密性分液漏鬥，抽真空，待燒瓶內壓力為4kPa時停止抽真空，向上述燒瓶中注入40wt%的聚碳矽烷/四氫呋喃溶液進行真空浸漬，浸漬時間為10h，浸漬完成後，直接減壓蒸餾除去溶劑四氫呋喃；小心取出滲入有聚碳矽烷的表面沉積有氧化矽凝膠小球的Cf/SiC複合材料矩形小片，將其放入瓷方舟中於隊保護下高溫裂解，裂解溫度為1000°C ；將上述高溫裂解後的 Cf/SiC複合材料矩形小片置於塑料器皿中，之後注入40wt%的氫氟酸溶液，待溶液完全淹沒上述矩形小片整體時停止注入，靜置塑料器皿8h，即製得Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭。實施例2
將粒徑500nm的單分散性氧化矽凝膠小球和無水乙醇溶液按質量比為1 15加入燒杯中進行超聲振蕩分散均勻，超聲時間為lh，超聲振蕩完畢後，取出燒杯靜置lOmin，之後移走燒杯中的上層乳濁液待用；
在放有15mmX10mmX5mm的清洗潔淨的Cf/SiC複合材料矩形小片的高型玻璃器皿中，注入上述乳濁液，注入高度為20cm，之後將高型玻璃器皿靜置10d，靜置完畢後，用注射器小心移走上層無水乙醇溶液，之後讓其自然乾燥；再小心取出表面沉積有氧化矽凝膠小球(沉積厚度為4mm)的Cf/SiC複合材料矩形小片，將其置於250ml三口燒瓶中，燒瓶裝上氣密性分液漏鬥，抽真空，待燒瓶內壓力為4kPa時停止抽真空，向上述燒瓶中注入 30wt%的聚碳矽烷四氫呋喃溶液進行真空浸漬，浸漬時間為10h，浸漬完成後，直接減壓蒸餾(60°C /5kPa)除去溶劑四氫呋喃；小心取出滲入有PCS的表面沉積有氧化矽凝膠小球的 Cf/SiC複合材料矩形小片，將其放入瓷方舟中於隊保護下高溫裂解，裂解溫度為1000°c ；將上述高溫裂解後的Cf/SiC複合材料矩形小片置於塑料器皿中，之後注入40wt%的氫氟酸溶液，待溶液完全淹沒上述矩形小片整體時停止注入，靜置塑料器皿8h，即製得Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭。實施例3
將粒徑500nm的單分散性氧化矽凝膠小球和無水乙醇溶液按質量比為1:25加入燒杯中進行超聲振蕩分散均勻，超聲時間為lh，超聲振蕩完畢後，取出燒杯靜置lOmin，之後移走燒杯中的上層乳濁液待用；
在放有15mmX IOmmX 5mm的清洗潔淨的Cf/SiC複合材料矩形小片的高型玻璃器皿中， 注入上述乳濁液，注入高度為20cm，之後將高型玻璃器皿靜置10d，靜置完畢後，用注射器小心移走上層無水乙醇溶液，之後讓其自然乾燥；待自然乾燥完畢後，小心取出表面沉積有氧化矽凝膠小球(沉積厚度為2mm)的Cf/SiC複合材料矩形小片，將其置於250ml三口燒瓶中，燒瓶裝上氣密性分液漏鬥，抽真空，待燒瓶內壓力為4kPa時停止抽真空，向上述燒瓶中注入50wt%&PCS (聚碳矽烷)四氫呋喃溶液進行真空浸漬，浸漬時間為10h，浸漬完成後，直接減壓蒸餾(60°C /5kPa)除去溶劑四氫呋喃；小心取出滲入有PCS的表面沉積有氧化矽凝膠小球的Cf/SiC複合材料矩形小片，將其放入瓷方舟中於隊保護下高溫裂解，裂解溫度為1000°C ；將上述高溫裂解後&Cf/SiC複合材料矩形小片置於塑料器皿中，之後注入 40wt%的氫氟酸溶液，待溶液完全淹沒上述矩形小片整體時停止注入，靜置塑料器皿8h，即製得Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭。上述實施例表明，以500nm的單分散性的氧化矽凝膠小球為模板原料，通過接頭模板的製備、模板中先驅體的滲入、模板中先驅體的陶瓷化、模板的去除能製備出Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭。
權利要求
1.一種Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)模板原料的製備將單分散性氧化矽凝膠小球和無水乙醇溶液按質量比為1:25 1:15加入燒杯中，進行超聲振蕩0. 5 lh，取出燒杯靜置5 30min，分離出上層的氧化矽凝膠小球無水乙醇乳濁液待用，下層氧化矽凝膠小球沉積物烘乾後繼續使用；(2)接頭模板的製備將複合材料矩形小片放入高型玻璃器皿中，注入氧化矽凝膠小球無水乙醇乳濁液，注入高度為15 30cm，靜置7 14d後，用注射器小心移走上層無水乙醇溶液後，讓其自然乾燥；得到表面沉積厚度為2 4mm氧化矽凝膠小球的Cf/SiC複合材料矩形小片；(3)先驅體的滲入小心取出沉積有氧化矽凝膠小球的Cf/SiC複合材料矩形小片，將其置於裝有氣密性分液漏鬥的三口燒瓶中，抽真空，待燒瓶內壓力為2 5kPa時停止抽真空，向燒瓶中注入陶瓷先驅體溶液進行真空浸漬8 12h，浸漬完成後，進行減壓蒸餾除去溶劑；(4)模板中先驅體的陶瓷化小心取出滲有陶瓷先驅體且表面沉積有氧化矽凝膠小球的Cf/SiC複合材料矩形小片，將其放入瓷方舟中於N2保護下在900 1300°C進行高溫裂解；(5)模板的去除將高溫裂解後&Cf/SiC複合材料矩形小片置於塑料器皿中，注入 30 50wt%的氫氟酸溶液，待溶液完全淹沒上述矩形小片整體時停止注入，靜置5 10h， 即製得孔與孔之間是連通的Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭。
2.根據權利要求1所述的Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭的製備方法，其特徵在於，所述單分散性氧化矽凝膠小球的粒徑50 600nm。
3.根據權利要求1所述的Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭的製備方法，其特徵在於，所述複合材料矩形小片的大小為15 25_X 10 15mmX4 8_。
4.根據權利要求1所述的Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭的製備方法，其特徵在於，所述陶瓷先驅體溶液為30 50wt%的聚碳矽烷四氫呋喃溶液或聚甲基矽烷四氫呋喃溶液，或30 50wt%的聚碳矽烷二甲苯溶液或聚甲基矽烷二甲苯溶液。
全文摘要
一種Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭的製備方法，是以單散的氧化矽凝膠小球為模板原料，採用自然沉降法製備Cf/SiC複合材料氧化矽凝膠小球接頭模板，之後用陶瓷先驅體浸漬上述模板，浸漬完成後以N2為保護氣體，利用常壓高溫裂解法使陶瓷先驅體PCS轉化為SiC陶瓷，再用氫氟酸腐蝕掉氧化矽凝膠小球，即製得Cf/SiC複合材料有序多孔陶瓷接頭。本發明在Cf/SiC複合材料構件末端引入有序多孔結構，減少Cf/SiC複合材料複雜微觀結構對連接的不利影響，同時，通過梯度材料過渡減少連接過程中的熱應力，從而有效地改善Cf/SiC複合材料的連接質量，促進複合材料在航空航天、軍事等高技術新裝備領域的應用。
文檔編號C04B37/00GK102167613SQ20111000457
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者周卿君, 王軍, 王小宙, 王浩, 簡科, 謝徵芳 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學