Cf/SiC陶瓷基复合材料制备工艺分析

  制备纤维增强陶瓷复合材料的方法主要有溶胶-凝胶法(Sol-gel)、烧结法(RP)、热压法(HP)、化学气相沉积法(CVD)、先驱体浸渍裂解法(PIP)以及化学气相渗透法(CVI)等。其中,制备Cf//SiC最常用的方法是先驱体浸渍裂解法和化学气相渗透法。

  1.先驱体浸渍裂解法

  先驱体漫渍裂解法(PIP)也称为先驱体转化法,其主要工艺过程是以纤维预制件为骨架,将有机硅聚合物,如聚碳硅烷(PCS)作为先驱体,在真空条件下浸渍先驱体溶液,交联固化(或晾干)后在惰性气氛中进行高温裂解,重复浸渍(交联)裂解过程,使材料致密化。

  对于PIP法制备得到的Cf//SIC,其致密度与界面心是影响材料性能的两个关键因素,为了改善界面结合,目前一般采用纤维涂层的方法;为了提高材料的致密度,般采用增加浸渍次数,提高浸渍效率,提高先驱体的陶瓷产率和加入活性填料等方法。研究人员研究TiH2粉在以聚碳硅烷为先驱体裂解制备SiC陶瓷材料中的应用,结果表明,TiH2粉能缓和聚碳硅烷的裂解反应,增加先驱体的陶瓷产率,提高陶瓷材料的强度和高温性能。但是TiH2不能降低PCS在裂解过程中的收缩和气孔率。研究人员对裂解工艺对先驱体转化制备Cf/SiC材料结构与性能的影响进行研究,指出:提高裂解升温速率可以增大材料密度,形成较理想的界面结合;Cf/SiC复合材料在某个周期采用较高温度(1600℃)裂解可以弱化界面,增大材料致密度,从而提高材料的力学性能。

  先驱体浸渍裂解法(PIP)优点是:陶瓷先驱体能在相对较低的温度(800~1200℃)下完成无机化转变,工艺简单,设备少,能够制造形状复杂的构件。缺点是:先驱体在裂解过程中释放气体,产生体积收缩,易使产品出现组织疏松、裂纹等缺陷,强度较低。

  2.化学气相渗透法

  化学气相渗透法(CVI)是在化学气相沉积法(CVD)的基础上发展起来的。CVI是引导气体渗入到多孔材料内部沉积,以达到使材料致密化的目的。如在制取SiC基复合材料时,SiC要渗透在材料内部形成SiC基体。法国最先利用化学气相渗透(CVI)技术,并处于世界领先水平。

  由于化学气相渗透工艺过程中受沉积反应温度、MTS(CH3SiCl3 )摩尔分数和气体流量的影响,为了提高SiC沉积速率和MTS利用率,近年来在工艺优化方面进行了大量的研究。

  化学气相渗透法(CVI)法的优点是:能在较低温度下(800~ 1200℃)制备SiC陶瓷,而传统烧结法烧结温度在2000℃以上;能从微观尺度上对界面相、化学成分及晶体取向进行设计;能制备近净尺寸成形的形状复杂的部件;制备温度较低,纤维损伤小。CVI法的缺点是:生产周期长,生产成本高,致密度较低(一般都存在10%~15%的孔隙率)。