具有原位自增密效果的陶瓷基复合材料快速制备技术
一、成果简介
陶瓷基复合材料具有其耐高温、高比强度以及高断裂韧性的特性。常见制备工艺主要有化学气相沉积法（CVI）、前驱体浸渍裂解法（PIP）和金属熔渗反应法（RMI）。CVI工艺通过气相小分子热解沉积实现材料致密化，但不适用厚壁样件；PIP工艺通过前驱体反复浸渍-裂解进行致密化，往往需要重复9-16轮，且前驱体利用率低（30wt%左右）；CVI和PIP两种工艺周期长、成本高大大限制了其广泛应用。与前两者相比，RMI工艺制备周期相对较短，但高温金属熔体对纤维损伤程度大，显著影响材料的力学性能。
快速成型工艺方法一直是陶瓷基复合材料重点研究方向。一些国外项目快速制备工艺均使用了高温高压的烧结技术，这类烧结技术不仅依赖高昂的工艺设备，而且制备异形构件非常困难。
团队研发的ViSfP-TiCOP工艺中，制备C/SiBCN-M的新型工艺流程包括前驱体合成、纤维布叠层及最终的固化裂解。首先固态聚硅硼氮烷、液态乙烯基聚硅硼氮烷和无机填料以正己烷为溶剂进行共混，形成挥发份少（＜3wt%）、高粘度（常温粘度106mPa·S）体系，该体系具备无机填料稳定负载能力；提出引入金属Ti作为自增密基元，实现新型前驱体表现出优异的化学稳定性和陶瓷产率（87wt%）。
这种前驱体具有良好的复合材料加工工艺适配性。不同于硬质的陶瓷基生坯片，新型SiBCN-M前驱体体系不仅具有低的引发温度（120℃完全固化），而且对金属模具拥有良好的贴模和适形特性。凭借这两个优点，以此前驱体为基础材料，采用传统树脂基复材工艺方法（如真空树脂膜熔渗RFI），制备C/PBSZ复合材料。
图1.ViSfP-TiCOP快速制备技术流程图
图2.前驱体的理化性质：（a）不同温度处理下的挥发份含量；（b）新型前驱体红外光谱；（c）填料改性前驱体的粘度-温度曲线；（d）SiBCN-25wt% ZrB2与SiBCN-25wt% Ti的热重曲线；（e）SiBCN-15wt% Ti的TG-DSC曲线；（f）具有良好变形性的SiBCN-M体系
图3.RFI工艺成型方法制备C/PBSZ复合材料
二、应用领域
新材料、航空航天、核能等领域。
三、市场前景
本工艺对CMCs的制备周期可以降低到400h以下。相比于传统的PIP成型工艺，ViSfP-TiCOP工艺大幅缩减了工艺周期，实现了CMCs的低成本、高通量及快速化制备。
研究发现，在1500℃高温裂解过程中，Ti的原位气相氮化与碳化机理能为CMCs的快速致密化提供“额外”的增重与体积膨胀。SiBCN前驱体裂解生成以CH4、NH3、H2为代表的小分子气体，700℃以下时这部分气体便溶解于Ti中且开始反应生成TiCN(H)；在700~1100℃时，TiCN(H)开始发生脱氢反应并生成TiCN；在1100~1300℃时，完全转化为TiCN，这种固溶体的晶体结构是典型的面心立方结构。不仅如此，当继续升温时，N2不再成为“稳定的”惰性气体，开始与残余的Ti反应生成TiN(C)。上述气相自增密机制极大促进了CMCs致密化进程，实现有限次数快速制备。
CMCs新型快速制备工艺方法ViSfP-TiCOP为陶瓷基复合材料提供了一种无压、低工艺温度（1200℃）环境且不依赖高价值工艺装备的快速成型技术，大大缩短制备周期、降低成本，为陶瓷基复合材料降本增效和扩大应用具有重要的现实意义和工程价值。
图4.ViSfP-TiCOP增重曲线及致密化周期
四、知识产权
1、成果由北京理工大学单独持有；
2、本成果已授权专利。
五、合作方式
技术许可、合作开发、技术转让、技术服务和咨询等。
六、对接方式
（1）合作意向方联系北理工技术转移中心；
（2）北理工技术转移中心沟通了解意向方情况；
（3）会同成果完成团队与意向方共同研讨合作方案。
北京理工大学技术转移中心
电话：010-68914920
邮箱：bitttc@bit.edu.cn
网址：society.sdkocharchitect.com
未经授权，请勿转载