SiC/SiC 复合材料制备工艺有哪些?

SiC/SiC复合材料是以SiC纤维为连续增强体,SiC陶瓷为基体的复合材料,既具有SiC基体的耐高温、低密度、耐腐蚀及耐蠕变等优点,又具有较高的强度和模量,与高温合金材料相比,在发动机叶片、机闸、高/低压涡轮盘、火焰稳定器和排气喷管等航空航天领域具有重要的应用潜力。SiC/SiC 复合材料的制备工艺经过几十年的发展,已经渐趋成熟,主要包括化学气相渗透(CVI)工艺、聚合物先驱体浸渍裂解(PIP)工艺和熔体浸渗(MI)工艺,其中:

CVI工艺

CVI工艺为将纤维预制体置于沉积炉中,气态先驱体通过扩散、对流等方式进入预制体内部并吸附在纤维表面,在一定温度下生成固态的碳或陶瓷组分沉积于纤维表面形成涂层,生成的气态副产物向外扩散;随着沉积的进行,纤维表面的涂层越来越厚,首先对纤维束内纤维之间的空隙进行填充,待束内空隙填满后,继续沉积的涂层组分进行纤维束间空隙的填充,最终各涂层相互重叠,成为材料内的连续相基体。

CVI工艺流程

来源:CNKI

CVI工艺的优点在于:基体的沉积过程中反应温度及压力较低,对纤维基本无损伤;基体具有完整晶型,力学性能优异;可制备形状复杂的部件;可实现材料的优化设计。但其缺点是沉积速率较慢,制造成本高;复合材料孔隙率高,不适合制备厚壁部件;工艺较为复杂。

PIP工艺

PIP工艺是将液态陶瓷先驱体浸渍到真空、密封的纤维编织体内,液态先驱体经过干燥或交联固化,在惰性气体保护下或真空环境下高温裂解,原位转化成陶瓷基体。由于先驱体裂解过程中气态副产物逸出及裂解后基体收缩,单次裂解过程的陶瓷收缩率较低,制备过程需重复多次浸渍-裂解过程才能实现材料的致密化。

PIP工艺流程

来源:CNKI

PIP工艺的优点是裂解过程温度较低,基体成分均匀,可设计性强,能够制备复杂大尺寸构件。但其缺点主要是产率低,制备周期较长,基体存在大量收缩裂纹和孔洞,孔隙率高。

MI工艺

MI工艺,首先在预制体中的纤维表面沉积形成界面相,以降低后续融渗过程对纤维的损伤;在预制体内形成一定量的多孔热解碳(PyC)基体;然后在高温真空环境中,将液态溶融硅渗入预制体内;溶融硅与PyC发生反应,最终生成连续致密的SiC基体。

MI工艺流程

来源:CNKI

MI工艺的优点是工艺简单,反应速度快,制备周期短,致密化程度高,材料孔隙率低,可快速、低成本制备近净成型复杂形状构件;缺点是处理温度高,会损伤纤维,而且复合材料中会有硅的残留,影响材料性能。

国外不同型号SiC/SiC CMC及其性能

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