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北京理工大學
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具有原位自增密效果的陶瓷基復合材料快速制備技術(shù)

2024-12-03 10:20:03
云上高博會 http://www.g2h0uzv.xyz
所屬領(lǐng)域:
新材料及其應用
項目成果/簡介:

陶瓷基復合材料具有其耐高溫、高比強度以及高斷裂韌性的特性。常見制備工藝主要有化學氣相沉積法(CVI)、前驅(qū)體浸漬裂解法(PIP)和金屬熔滲反應法(RMI)。CVI工藝通過氣相小分子熱解沉積實現(xiàn)材料致密化,但不適用厚壁樣件;PIP工藝通過前驅(qū)體反復浸漬-裂解進行致密化,往往需要重復9-16輪,且前驅(qū)體利用率低(30wt%左右);CVI和PIP兩種工藝周期長、成本高大大限制了其廣泛應用。與前兩者相比,RMI工藝制備周期相對較短,但高溫金屬熔體對纖維損傷程度大,顯著影響材料的力學性能。

快速成型工藝方法一直是陶瓷基復合材料重點研究方向。一些國外項目快速制備工藝均使用了高溫高壓的燒結(jié)技術(shù),這類燒結(jié)技術(shù)不僅依賴高昂的工藝設(shè)備,而且制備異形構(gòu)件非常困難。

團隊研發(fā)的ViSfP-TiCOP工藝中,制備C/SiBCN-M的新型工藝流程包括前驅(qū)體合成、纖維布疊層及最終的固化裂解。首先固態(tài)聚硅硼氮烷、液態(tài)乙烯基聚硅硼氮烷和無機填料以正己烷為溶劑進行共混,形成揮發(fā)份少(<3wt%)、高粘度(常溫粘度106mPa·S)體系,該體系具備無機填料穩(wěn)定負載能力;提出引入金屬Ti作為自增密基元,實現(xiàn)新型前驅(qū)體表現(xiàn)出優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和陶瓷產(chǎn)率(87wt%)。

這種前驅(qū)體具有良好的復合材料加工工藝適配性。不同于硬質(zhì)的陶瓷基生坯片,新型SiBCN-M前驅(qū)體體系不僅具有低的引發(fā)溫度(120C完全固化),而且對金屬模具擁有良好的貼模和適形特性。憑借這兩個優(yōu)點,以此前驅(qū)體為基礎(chǔ)材料,采用傳統(tǒng)樹脂基復材工藝方法(如真空樹脂膜熔滲RFI),制備C/PBSZ復合材料。

應用范圍:

新材料、航空航天、核能等領(lǐng)域。

效益分析:

本工藝對CMCs的制備周期可以降低到400h以下。相比于傳統(tǒng)的PIP成型工藝,ViSfP-TiCOP工藝大幅縮減了工藝周期,實現(xiàn)了CMCs的低成本、高通量及快速化制備。

研究發(fā)現(xiàn),在1500℃高溫裂解過程中,Ti的原位氣相氮化與碳化機理能為CMCs的快速致密化提供c額外”的增重與體積膨脹。SiBCN前驅(qū)體裂解生成以CH4、NH3、H2為代表的小分子氣體,700C以下時這部分氣體便溶解于Ti中且開始反應生成TiCN(H);在700——1100°C時,TiCN(H)開始發(fā)生脫氫反應并生成TiCN;在1100——1300C時,完全轉(zhuǎn)化為TiCN,這種固溶體的晶體結(jié)構(gòu)是典型的面心立方結(jié)構(gòu)。不僅如此,當繼續(xù)升溫時,N2不再成為“穩(wěn)定的”惰性氣體,開始與殘余的Ti反應生成TiN(C)。上述氣相自增密機制極大促進了CMCs致密化進程,實現(xiàn)有限次數(shù)快速制備。

CMCs新型快速制備工藝方法ViSfP-TiCOP為陶瓷 基 復 合 材料 提供了一種無壓、低工藝溫度(1200°C)環(huán)境且不依賴高價值工藝裝備的快速成型技術(shù),大大縮短制備周期、降低成本,為陶瓷基復合材料降本增效和擴大應用具有重要的現(xiàn)實意義和工程價值。

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