一种多元碳化硅陶瓷基复合材料及制备方法

1.本发明涉及复合材料制备技术领域，具体为一种多元碳化硅陶瓷基复合材料及制备方法。


背景技术：

2.纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀等一系列优异特性，在航空、航天等领域具有广阔的应用前景，针对某些特定应用部位，需要材料具有特殊的功能特性，如航空发动机的转动部件等，需要复合材料具有更高的韧性，由于碳化硅基体本身具有脆性大的特点，在承受载荷时不利于裂纹等缺陷的弱化和偏转，因此从材料设计的角度出发，通过对碳化硅基体改性有望实现对复合材料的增韧，新材料性能的提高对航空、航天等领域的发展具有重要的意义。
3.新型三元过渡金属化合物max相(m：过渡族金属元素；a：主族元素；x为c或者n；n＝1～3)因兼顾金属材料及陶瓷材料的特性而受到广泛关注。由于其自身独特的层状结构，在承受载荷时，裂纹扩展到层界面处将受到阻碍而发生偏折或钝化，可以有效地减弱了裂纹尖端的应力集中，但是max相的机械性能较差，这将限制其单独作为结构材料的应用，因此常与其他结构陶瓷复合进行使用。
4.目前已有多种手段来改善碳化硅的韧性，申请号cn201810193507.1及cn200910129807.4等利用三元层状ti3sic2来增韧碳化硅陶瓷基复合材料，由于增韧机制单一，因此增韧效果有限；
5.申请号cn201710948861.6及cn201610110058.0等均利用碳化硅晶须增韧碳化硅陶瓷基复合材料，前者由于采用单纯机械混合的方法通过向碳化硅基体中引入碳化硅晶须，一方面机械混合对材料性能存在较大影响；
6.另一方面由于晶须之间的侨联作用，使得复合材料致密化程度困难，后者采用原位生长的方法，在碳化硅基体中合成晶须，该方法晶须生长较为不可控，此外，还有通过在碳化硅中引入纳米颗粒或碳纳米管达到增韧的目的，这些方法采用机械混合的方法引入增韧相，另外，纳米颗粒的分散稳定性较差。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种多元碳化硅陶瓷基复合材料及制备方法，利用原位生成的方法在碳化硅基体中引入ti3sic2和tib2，使得基体与增韧体相容性良好，界面结合强度高，得到的材料力学性能较其他引入方式高，同时工艺简单、成本更低的优点，解决了三元层状ti3sic2来增韧碳化硅陶瓷基复合材料，由于增韧机制单一，因此增韧效果有限，及采用单纯机械混合的方法通过向碳化硅基体中引入碳化硅晶须，一方面机械混合对材料性能存在较大影响的问题。
8.本发明提供如下技术方案：一种多元碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
9.步骤s1：将金属ti粉与tic粉混合，并分别加入粉体分散剂、抗凝剂、有机溶剂、树脂、以及氧化锡进行混合，球磨18～20h以上制成混合料浆；
10.步骤s2：将步骤s1所制得的混合料浆和含有b4c的陶瓷粉体涂刷在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物上并进行三层折叠，采用硅烷偶联剂接枝法在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物表面接枝碳化硅纳米粒子，利用减压蒸发脱去有机溶剂，制成预浸料；
11.步骤s3：将步骤s2得到的预浸料置于模具中利用热压机进行固化成型，设置固化温度为150℃～300℃，压力为0.2mpa～12mpa，时间为1h～5h，得到预制体；
12.步骤s4：将步骤s3得到的预制体外表面覆盖碳酸钙，并在1000℃～1200℃下，惰性气氛中炭化处理60min～150min，制得多孔体；
13.步骤s5：将步骤s4得到的多孔体置于si、b粉体之下，在使用高岭土将其薄层包覆；并将其放置于高压釜内，温度1400℃～1600℃，si、b粉体熔化，形成sib合金；渗入多孔体内，反应时间为5min～40min，得到多元碳化硅陶瓷基复合材料。
14.优选的，步骤s5具体包括利用原位生成的方法在碳化硅基体中引入ti3sic2和tib2。
15.优选的，步骤s5具体包括所述si、b粉体质量比为95：5，所述si-b合金与多孔体的质量比为2:1。
16.优选的，步骤s1具体包括金属ti粉与tic粉混合比例为2:1。
17.一种多元碳化硅陶瓷基复合材料，包括由金属ti粉与tic粉组成的混合料浆及粉体分散剂、有机溶剂、树脂、抗凝剂、si、b粉体。
18.优选的，所述混合料浆中金属ti粉；tic粉混合；粉体分散剂；有机溶剂；树脂；抗凝剂；si、b粉体及氧化锡质量份数比为：20：0.5：18：30：0.5：28：1：2。
19.本发明具备以下有益效果：
20.1、该多元碳化硅陶瓷基复合材料及制备方法，在复合材材料受力过程中，基体传递向纤维的裂纹在界面层处发生偏转，产生纤维拔出现象，裂纹尖端应力通过纤维拔出消耗的界面能释放，碳化硅纳米粒子的存在使得消耗的界面能适当增加，使纤维能够发挥增强和增韧作用。
21.2、该多元碳化硅陶瓷基复合材料及制备方法，通过利用原位生成的方法在碳化硅基体中引入ti3sic2和tib2，使得基体与增韧体相容性良好，界面结合强度高，得到的材料力学性能较其他引入方式高，同时工艺简单、成本更低。
22.3、该多元碳化硅陶瓷基复合材料及制备方法，tib2、ti3sic2与碳化硅之间具有相匹配的热膨胀系数，因此ti3sic2、tib2是理想的碳化硅增韧相。
23.4、该多元碳化硅陶瓷基复合材料及制备方法，在承受载荷时，当裂纹扩展到ti3sic2相的层界面处将发生裂纹偏折或钝化，可以有效地减弱了裂纹尖端的应力集中，而原位生成的tib2晶粒呈现出具有一定长径比的柱状晶，主要借助拔出、侨联和裂纹偏转的机制，以上多种增韧机制协同作用，有效地实现材料增韧。
24.5、该多元碳化硅陶瓷基复合材料及制备方法，在硅粉中添加硼粉，可以减小硅对纤维的腐蚀。
附图说明
25.图1为本发明组织图；
26.图2为本发明不同实施例数据对比示意图。
具体实施方式
27.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他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例1
29.请参阅图1-2，一种多元碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
30.步骤s1：将金属ti粉与tic粉混合，并分别加入粉体分散剂、抗凝剂、有机溶剂、树脂、以及氧化锡进行混合，球磨18～20h以上制成混合料浆；
31.步骤s2：将步骤s1所制得的混合料浆和含有b4c的陶瓷粉体涂刷在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物上并进行三层折叠，采用硅烷偶联剂接枝法在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物表面接枝碳化硅纳米粒子，利用减压蒸发脱去有机溶剂，制成预浸料；
32.步骤s3：将步骤s2得到的预浸料置于模具中利用热压机进行固化成型，设置固化温度为150℃～300℃，压力为0.2mpa～12mpa，时间为1h～5h，得到预制体；
33.步骤s4：将步骤s3得到的预制体外表面覆盖碳酸钙，并在1000℃～1200℃下，惰性气氛中炭化处理60min～150min，制得多孔体；
34.步骤s5：将步骤s4得到的多孔体置于si、b粉体之下，在使用高岭土将其薄层包覆；并将其放置于高压釜内，温度1400℃～1600℃，si、b粉体熔化，形成sib合金；渗入多孔体内，反应时间为5min～40min，得到多元碳化硅陶瓷基复合材料。
35.其中，步骤s5具体包括利用原位生成的方法在碳化硅基体中引入ti3sic2和tib2，作为max相的代表，ti3sic2作为增韧相与碳化硅复合，可增加碳化硅的韧性相，可以获得显著的增韧效果，tib2晶粒呈柱状，这种具有较大长径比的晶粒可使材料得以韧化，同时tib2与ti3sic2具有相近的热膨胀系数，因此向碳化硅基体中同时引入ti3sic2与tib2两种增韧相，两种增韧机制协同作用，将使得陶瓷基复合材料韧性显著提高。
36.其中，步骤s5具体包括si、b粉体质量比为95：5，si-b合金与多孔体的质量比为2:1。
37.其中，步骤s1具体包括金属ti粉与tic粉混合比例为2:1。
38.一种多元碳化硅陶瓷基复合材料，包括由金属ti粉与tic粉组成的混合料浆及粉体分散剂、有机溶剂、树脂、抗凝剂、si、b粉体。
39.其中，混合料浆中金属ti粉；tic粉混合；粉体分散剂；有机溶剂；树脂；抗凝剂；si、b粉体及氧化锡质量份数比为：20：0.5：18：30：0.5：28：1：2。
40.实施例2
41.请参阅图2，一种多元碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
42.步骤s1：将金属ti粉与tic粉混合，并分别加入粉体分散剂、抗凝剂、有机溶剂、树
脂、以及氧化锡进行混合，球磨18～20h以上制成混合料浆；
43.步骤s2：将步骤s1所制得的混合料浆和含有b4c的陶瓷粉体涂刷在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物上并进行三层折叠，采用硅烷偶联剂接枝法在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物表面接枝碳化硅纳米粒子，利用减压蒸发脱去有机溶剂，制成预浸料；
44.步骤s3：将步骤s2得到的预浸料置于模具中利用热压机进行固化成型，设置固化温度为250℃～400℃，压力为0.2mpa～12mpa，时间为1h～5h，得到预制体；
45.步骤s4：将步骤s3得到的预制体外表面覆盖碳酸钙，并在1000℃～1200℃下，惰性气氛中炭化处理60min～150min，制得多孔体；
46.步骤s5：将步骤s4得到的多孔体置于si、b粉体之下，在使用高岭土将其薄层包覆；；并将其放置于高压釜内，温度1400℃～1600℃，si、b粉体熔化，形成sib合金；渗入多孔体内，反应时间为5min～40min，得到多元碳化硅陶瓷基复合材料。
47.其中，步骤s5具体包括利用原位生成的方法在碳化硅基体中引入ti3sic2和tib2，作为max相的代表，ti3sic2作为增韧相与碳化硅复合，可增加碳化硅的韧性相，可以获得显著的增韧效果，tib2晶粒呈柱状，这种具有较大长径比的晶粒可使材料得以韧化，同时tib2与ti3sic2具有相近的热膨胀系数，因此向碳化硅基体中同时引入ti3sic2与tib2两种增韧相，两种增韧机制协同作用，将使得陶瓷基复合材料韧性显著提高。
48.其中，步骤s5具体包括si、b粉体质量比为90：10，si-b合金与多孔体的质量比为3:1。
49.其中，步骤s1具体包括金属ti粉与tic粉混合比例为3:1，
50.一种多元碳化硅陶瓷基复合材料，包括由金属ti粉与tic粉组成的混合料浆及粉体分散剂、有机溶剂、树脂、抗凝剂、si、b粉体
51.其中，混合料浆中金属ti粉；tic粉混合；粉体分散剂；有机溶剂；树脂；抗凝剂；si、b粉体及氧化锡质量份数比为：25：0.5：13：40：0.5：15：1：5。
52.实施例3
53.请参阅图2，一种多元碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
54.步骤s1：将金属ti粉与tic粉混合，并分别加入粉体分散剂、抗凝剂、有机溶剂、树脂、以及氧化锡进行混合，球磨18～20h以上制成混合料浆；
55.步骤s2：将步骤s1所制得的混合料浆和含有b4c的陶瓷粉体涂刷在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物上并进行三层折叠，采用硅烷偶联剂接枝法在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物表面接枝碳化硅纳米粒子，利用减压蒸发脱去有机溶剂，制成预浸料；
56.步骤s3：将步骤s2得到的预浸料置于模具中利用热压机进行固化成型，设置固化温度为150℃～300℃，压力为0.2mpa～12mpa，时间为1h～5h，得到预制体；
57.步骤s4：将步骤s3得到的预制体外表面覆盖碳酸钙，并在1000℃～1200℃下，惰性气氛中炭化处理60min～150min，制得多孔体；
58.步骤s5：将步骤s4得到的多孔体置于si、b粉体之下，在使用高岭土将其薄层包覆；；并将其放置于高压釜内，温度1400℃～1600℃，si、b粉体熔化，形成sib合金；渗入多孔体内，反应时间为5min～40min，得到多元碳化硅陶瓷基复合材料。
59.其中，步骤s5具体包括利用原位生成的方法在碳化硅基体中引入ti3sic2和tib2，作为max相的代表，ti3sic2作为增韧相与碳化硅复合，可增加碳化硅的韧性相，可以获得显著的增韧效果，tib2晶粒呈柱状，这种具有较大长径比的晶粒可使材料得以韧化，同时tib2与ti3sic2具有相近的热膨胀系数，因此向碳化硅基体中同时引入ti3sic2与tib2两种增韧相，两种增韧机制协同作用，将使得陶瓷基复合材料韧性显著提高。
60.其中，步骤s5具体包括所述si、b粉体质量比为95：5，所述si-b合金与多孔体的质量比为2:1。
61.其中，步骤s1具体包括金属ti粉与tic粉混合比例为2:1。
62.一种多元碳化硅陶瓷基复合材料，包括由金属ti粉与tic粉组成的混合料浆及粉体分散剂、有机溶剂、树脂、抗凝剂、si、b粉体。
63.其中，混合料浆中金属ti粉；tic粉混合；粉体分散剂；有机溶剂；树脂；抗凝剂；si、b粉体及氧化锡质量份数比为：15：0.5：18：35：0.5：20：1：10。
64.实施例4
65.请参阅图2，一种多元碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
66.步骤s1：将金属ti粉与tic粉混合，并分别加入粉体分散剂、抗凝剂、有机溶剂、树脂、以及氧化锡进行混合，球磨18～20h以上制成混合料浆；
67.步骤s2：将步骤s1所制得的混合料浆和含有b4c的陶瓷粉体涂刷在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物上并进行三层折叠，采用硅烷偶联剂接枝法在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物表面接枝碳化硅纳米粒子，利用减压蒸发脱去有机溶剂，制成预浸料；
68.步骤s3：将步骤s2得到的预浸料置于模具中利用热压机进行固化成型，设置固化温度为150℃～300℃，压力为0.2mpa～12mpa，时间为1h～5h，得到预制体；
69.步骤s4：将步骤s3得到的预制体外表面覆盖碳酸钙，并在1000℃～1200℃下，惰性气氛中炭化处理60min～150min，制得多孔体；
70.步骤s5：将步骤s4得到的多孔体置于si、b粉体之下，在使用高岭土将其薄层包覆；；并将其放置于高压釜内，温度1400℃～1600℃，si、b粉体熔化，形成sib合金；渗入多孔体内，反应时间为5min～40min，得到多元碳化硅陶瓷基复合材料。
71.其中，步骤s5具体包括利用原位生成的方法在碳化硅基体中引入ti3sic2和tib2，作为max相的代表，ti3sic2作为增韧相与碳化硅复合，可增加碳化硅的韧性相，可以获得显著的增韧效果，tib2晶粒呈柱状，这种具有较大长径比的晶粒可使材料得以韧化，同时tib2与ti3sic2具有相近的热膨胀系数，因此向碳化硅基体中同时引入ti3sic2与tib2两种增韧相，两种增韧机制协同作用，将使得陶瓷基复合材料韧性显著提高。
72.其中，步骤s5具体包括所述si、b粉体质量比为95：5，所述si-b合金与多孔体的质量比为2:1。
73.其中，步骤s1具体包括金属ti粉与tic粉混合比例为2:1。
74.一种多元碳化硅陶瓷基复合材料，包括由金属ti粉与tic粉组成的混合料浆及粉体分散剂、有机溶剂、树脂、抗凝剂、si、b粉体。
75.其中，混合料浆中金属t i粉；t i c粉混合；粉体分散剂；有机溶剂；树脂；抗凝剂；s i、b粉体及氧化锡质量份数比为：20：1：16：30：2：20：1：10。
76.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
77.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种多元碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：将金属ti粉与tic粉混合，并分别加入粉体分散剂、抗凝剂、有机溶剂、树脂、以及氧化锡进行混合，球磨18～20h以上制成混合料浆；步骤s2：将步骤s1所制得的混合料浆和含有b4c的陶瓷粉体涂刷在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物上并进行三层折叠，采用硅烷偶联剂接枝法在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物表面接枝碳化硅纳米粒子，利用减压蒸发脱去有机溶剂，制成预浸料；步骤s3：将步骤s2得到的预浸料置于模具中利用热压机进行固化成型，设置固化温度为150℃～300℃，压力为0.2mpa～12mpa，时间为1h～5h，得到预制体；步骤s4：将步骤s3得到的预制体外表面覆盖碳酸钙，并在1000℃～1200℃下，惰性气氛中炭化处理60min～150min，制得多孔体；步骤s5：将步骤s4得到的多孔体置于si、b粉体之下，在使用高岭土将其薄层包覆；并将其放置于高压釜内，温度1400℃～1600℃，si、b粉体熔化，形成sib合金；渗入多孔体内，反应时间为5min～40min，得到多元碳化硅陶瓷基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种多元碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s5具体包括利用原位生成的方法在碳化硅基体中引入ti3sic2和tib2。3.根据权利要求1所述的一种多元碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s5具体包括所述si、b粉体质量比为95：5，所述si-b合金与多孔体的质量比为2:1。4.根据权利要求1所述的一种多元碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s1具体包括金属ti粉与tic粉混合比例为2:1。5.一种多元碳化硅陶瓷基复合材料，其特征在于：包括由金属ti粉与tic粉组成的混合料浆及粉体分散剂、有机溶剂、树脂、抗凝剂、si、b粉体。6.根据权利要求5所述的一种多元碳化硅陶瓷基复合材料，其特征在于：所述混合料浆中金属ti粉；tic粉混合；粉体分散剂；有机溶剂；树脂；抗凝剂；si、b粉体及氧化锡质量份数比为：20：0.5：18：30：0.5：28：1：2。

技术总结
本发明涉及复合材料制备技术领域，且公开了一种多元碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：将金属Ti粉与TiC粉混合，并分别加入粉体分散剂、抗凝剂、有机溶剂、树脂、以及氧化锡进行混合，球磨18～20h以上制成混合料浆；步骤S2：将步骤S1所制得的混合料浆涂刷在含有界面层的玻璃纤维织物或者石棉纤维织物上并进行三层折叠，利用减压蒸发脱去有机溶剂，制成预浸料；步骤S3：将步骤S2得到的预浸料置于模具中利用热压机进行固化成型，通过利用原位生成的方法在碳化硅基体中引入Ti3SiC2和TiB2，使得基体与增韧体相容性良好，界面结合强度高，得到的材料力学性能较其他引入方式高，同时工艺简单、成本更低。成本更低。成本更低。


技术研发人员：张毅 马雪寒 陈玉龙 高祥云 李晓萍 张雯 成来飞
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/31