一種SiC晶須增強的陶瓷基複合材料的製作方法
2023-10-10 16:27:39 1
一種SiC晶須增強的陶瓷基複合材料的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種SiC晶須增強的陶瓷基複合材料，包括陶瓷基體、無機纖維和SiC晶須，其特徵在於SiC晶須彌散分布在纖維間，作為第二相有效增強纖維交界處的陶瓷脆性無效區。本發明利用物理方法使纖維束或絲間附著細小的SiC晶須，具體採用的方式有兩種：一是利用有機溶劑將SiC晶須製成泥漿，使纖維浸漬穿過晶須泥漿後編織成預成型體；二是先將纖維編織成預成型體，然後密實塗刷SiC晶須泥漿。本發明利用化學氣相滲透法(CVI)在附有SiC晶須的纖維間生長陶瓷基體，不破壞晶須的形貌和力學性能，使複合材料的斷裂韌性得到很大提高，並且材料的斷裂韌性和抗彎強度隨著材料的相對密度而增加。
【專利說明】—種SiC晶須增強的陶瓷基複合材料
【技術領域】
[0001]本發明涉及複合材料領域，特別是涉及一種SiC晶須增強的陶瓷基複合材料。
【背景技術】
[0002]陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優異特性，但存在脆性大、易斷裂的缺點，而限制了其實際應用範圍，因此改善陶瓷材料的脆性、增大強度、提高其在實際應用中的可靠性成為其能否廣泛應用的關鍵。陶瓷材料的韌性可以通過晶須、纖維增韌，顆粒彌散增韌和相變增韌等機理增強。晶須增韌陶瓷基複合材料被認為是能解決高溫應用的有效措施，目前該材料已商業化並應用於切削刀具、耐磨零件、宇航和軍用器件等。
[0003]SiC晶須有「晶須之王」的美稱，是一種直徑為納米級至微米級的具有高度取向性的單晶纖維，晶體結構與金剛石相類似，晶體內化學雜質少，無晶粒邊界，晶體結構缺陷少，結晶相成分均一，具有高熔點(> 2700°C )、低密度(3.21g/cm3)、高強度(抗拉強度為2100kg/cm2)、高彈性模量(彈性模量為4.9X 104kg/cm2)、低熱膨脹率以及耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化能力強等特性。作為一種優良的補強增韌劑，碳化矽晶須已經被用於增強多種陶瓷基複合材料。[0004]在1992年發表在《矽酸鹽學報》第20卷第5期的文獻「SiC晶須增強陶瓷基複合材料的研究」中，上海矽酸鹽研究所的黃政仁等用不同的Al2O3粉料，採用SiC晶須補強以及加入第三相SiC粒子彌散增韌的方式，研究了 SiC晶須Al2O3基複合材料的力學性能。結果表明，應用SiC晶須補強使Al2O3材料的力學性能有了明顯的改進，強度和韌性較單相Al2O3陶瓷有了成倍的提高。
[0005]公開(公告)號為102161594A的中國發明專利公開了一種SiC晶須強化的SiC陶瓷基複合材料及其製備方法。該複合材料由預製件通過Si或Si合金熔滲反應製備得到，所述的預製件由包括稻殼SiC晶須化產物的原料模壓成型製得。該複合材料方法製備工藝簡單，熔滲反應溫度低，無需外加壓力，預製件可製成複雜形狀，可用於製備複雜形狀的構件。所製備的SiC陶瓷基複合材料性能優良，SiC晶須對材料起到增強作用，可用於SiC反應燒結陶瓷材料製品的適用場合，如滑動軸承、耐腐蝕、耐磨損的管道、閥門、風機葉片和軍、民用防彈衣等。
【發明內容】
[0006]傳統的晶須增強陶瓷基複合材料使用燒結助劑來燒結，高溫時低熔相的存在會破壞基體中的晶須，並且傳統的燒結方法會形成強的晶須與基體界面，從而降低晶須的增韌效果。
[0007]本發明提供一種SiC晶須增強的陶瓷基複合材料，利用物理方法使纖維束或絲間附著細小的SiC晶須，在CVI法填充完陶瓷基體後，纖維間彌散分布的SiC晶須作為第二相有效增強纖維交界處的陶瓷脆性無效區，使材料的整體強度和韌性大幅度提高。本發明利用化學氣相滲透法(CVI)在附有SiC晶須的纖維間生長陶瓷基體，不破壞晶須的形貌和力學性能，使複合材料的斷裂韌性得到很大提高，並且材料的斷裂韌性和抗彎強度隨著材料的相對密度而增加。
[0008]為了最大程度上發揮複合材料的各項協同作用，同時易於成型，本陶瓷基複合材料中的無機纖維是碳纖維或碳化矽纖維，體積分數為10%~40% ；SiC晶須的長徑比控制在15~30，體積含量為5~30% ;陶瓷基體可以是碳化矽，也可以是氮化矽，在工藝的最後階段利用化學氣相滲透法製備得到。
[0009]本發明利用物理方法使纖維束或絲間附著細小的SiC晶須，具體採用的方式有兩種:一是利用有機溶劑將SiC晶須製成泥漿，使纖維浸潰穿過晶須泥漿後編織成預成型體；二是先將纖維編織成預成型體，然後密實塗刷SiC晶須泥漿。無論選擇那種方式摻雜晶須，在晶須泥漿中均添加3%~7%的酚醛樹脂作為粘結劑，使SiC晶須緊密附著在纖維束或絲之間。
[0010]在本發明中，還可以採用熱處理或塗層的方法來調整晶須與基體之間的界面結合力，如在沉積陶瓷基體之前，控制有關條件，使晶須表面滲透生長一定厚度的高碳層，從而達到提高晶須一基體界面韌性的作用。
[0011]本發明的主要優點是:①利用SiC晶須增強複合材料纖維交界處的陶瓷脆性無效區，使材料的整體強度和韌性大幅度提高；②利用物理方法摻雜SiC晶須，不破壞晶須的形貌和力學性能，使得複合材料的斷裂韌性得到很大提高；③利用CVI技術，在低壓、低溫下製備複合材料，材料內部殘餘應力小，纖維和晶須受損傷小，最大程度上保持了各基體材料的優異性能；④陶瓷基體和增強纖維有多種選擇，可以實現成分設計和製備出形狀複雜的高性能部件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為陶瓷基複合材料纖維交界處無效區示意圖。
[0013]圖示10為C或SiC纖維；20為纖維交界處陶瓷脆性無效區；30為纖維增強陶瓷基體。
[0014]圖2為附著有SiC晶須的纖維不意圖。
[0015]圖示21為SiC晶須；22為C或SiC纖維。
【具體實施方式】
[0016]下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定。
[0017]實施例1
[0018]將適量SiC晶須用有機溶劑均勻分散開，加入3%的酚醛樹脂製成SiC晶須漿料，然後使待編織的碳纖維多次浸潰穿過該晶須泥漿，待纖維束或絲間密實附著SiC晶須後烘乾編織成型。接著，將成型的編織體放入CVI爐中，通過CVI法使SiC陶瓷基體在附著有SiC晶須的碳纖維間生長並緻密化，隨著CVI步驟不斷地重複，材料中大孔隙尺寸不斷被SiC陶瓷基體填充而減小，孔徑分布趨於均勻，最終得到連續碳纖維和SiC晶須聯合增強的陶瓷基複合材料。[0019]實施例2
[0020]將適量SiC晶須用有機溶劑均勻分散開，加入5%的酚醛樹脂製成SiC晶須漿料，然後將碳化矽纖維編織件完全浸潰其中10~24h，取出後並重複密實塗刷該漿料，待纖維束或絲間密實附著SiC晶須後烘乾。接著，將編織件放入CVI爐中，通過CVI法製備氮化矽陶瓷基體，隨著CVI步驟不斷地重複，材料中大孔隙尺寸不斷被SiC陶瓷基體填充而減小，孔徑分布趨於均勻，最終得到連續碳化矽纖維和SiC晶須聯合增強的陶瓷基複合材料。
[0021]上述僅為本發明兩個【具體實施方式】，但本發明的設計構思並不局限於此，凡利用此構思對本發明進行非實質性的改動，均應屬於侵犯本發明保護的範圍的行為。但凡是未脫離本發明技術方案 的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何形式的簡單修改、等同變化與改型，仍屬於本發明技術方案的保護範圍。
【權利要求】
1.一種SiC晶須增強的陶瓷基複合材料，包括陶瓷基體、無機纖維和SiC晶須，其特徵在於SiC晶須彌散分布在纖維間，作為第二相有效增強纖維交界處的陶瓷脆性無效區。
2.據權利要求1所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於所述的陶瓷基體可以是碳化矽，也可以是氮化矽，在工藝的最後階段利用化學氣相滲透法製備得到。
3.據權利要求1所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於所述的無機纖維是碳纖維或碳化娃纖維，體積分數為10%~40%。
4.據權利要求1所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於所述的SiC晶須彌散附著在纖維束或絲間，長徑比控制在15~30，體積含量為5~30%。
5.根據權利要求1所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於利用物理方法使纖維束或絲間附著細小的SiC晶須，具體採用的方式有兩種:一是利用有機溶劑將SiC晶須製成泥漿，使纖維浸潰穿過晶須泥漿後編織成預成型體；二是先將纖維編織成預成型體，然後密實塗刷SiC晶須泥漿。
6.根據權利要求5所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於在SiC晶須泥漿中添加3%~7%的酚醛樹脂作為粘結劑。
7.根據權利要求5所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於可以採用熱處理或塗層的方法來調整晶須與基體的界面結合力。
【文檔編號】C04B35/565GK103951454SQ201410151235
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月15日 優先權日:2013年7月23日
【發明者】陳照峰, 聶麗麗 申請人:太倉派歐技術諮詢服務有限公司