老哥俱乐部

陶瓷基复合质料由于其耐高温、高比强度以及高断裂韧性的特征被普遍用于航天航空、核能等诸多领域
。陶瓷基复合质料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质料致密化，但不适用厚壁样件；PIP工艺通过前驱体重复浸渍-裂解举行致密化，往往需要重复9-16轮，且前驱体使用率低（30wt%左右）；CVI和PIP两种工艺周期长、本钱高峻大限制了其普遍应用
。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水平大，显著影响质料的力学性能
。

快速成型工艺要领一直是陶瓷基复合质料重点研究偏向
。例如，欧洲C3HRME项目、日本NITE手艺以及美国MATECH的FAST手艺
。然而，上述快速制备工艺均使用了高温高压的烧结手艺，这类烧结手艺不但依赖高昂的工艺装备，并且制备异形构件很是难题
。

图1 快速制备工艺要领

老哥俱乐部张中伟教授团队开发了一种具有原位自增密的陶瓷基复合质料快速制备手艺，旨在实现质料的高效、高通量、低本钱制备

？⒘宋藁盍细男缘男滦透哒尘酃枧鸬榍扒，具备低挥发份、高陶瓷产率和填料稳固负载特征；立异性提出活性金属作为气相固碳/固氮引发剂，实现C/SiBCN复合质料的快速致密化，这种手艺被命名为ViS_fP-TiCOP
。该工艺要领对缩短陶瓷基复合质料制备周期、提高前驱体使用效率、并降低质料制备本钱具有很是主要意义和经济价值，为进一步扩大陶瓷基复合质料的应用领域提供了全新的思绪和战略
。相关研究效果揭晓于复合质料Top期刊《Composites Part B: Engineering》，论文问题为“A novel rapid fabrication method and in-situ densification mechanism for ceramic matrix composite”（10.1016/j.compositesb.2024.111881）
。

如图2所示
。在老哥俱乐部工张中伟教授团队研发的ViS_fP-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举行共混，形成挥发份少（＜3wt%）、高粘度（常温粘度10⁶mPa·S）系统，该系统具备无机填料稳固负载能力；提出引入金属Ti作为自增密基元，实现新型前驱体体现出优异的化学稳固性和陶瓷产率（87wt%）
。所制备的新型前驱体的理化性子如图3所示
。

图2. ViS_fP-TiCOP快速制备手艺流程图

图3.前驱体的理化性子：（a）差别温度处置惩罚下的挥发份含量；（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）具有优异变形性的SiBCN-M系统
。

同时，这种前驱体具有优异的复合质料加工工艺适配性
。差别于硬质的陶瓷基生坯片，新型SiBCN-M前驱体系统不但具有低的引发温度（120℃完全固化），并且对金属模具拥有优异的贴模和适形特征
。依附这两个优点，以此前驱体为基础质料，接纳古板树脂基复材工艺要领（如真空树脂膜熔渗RFI），制备C/PBSZ复合质料，RFI工艺的铺层设计如图4所示
。

图4. RFI工艺成型要领制备C/PBSZ复合质料

如图5所示，由老哥俱乐部工张中伟教授团队研发的ViS_fP-TiCOP工艺，其对CMCs的制备周期可以降低到400h以下
。相比于古板的PIP成型工艺，ViS_fP-TiCOP工艺大幅缩减了工艺周期，实现了CMCs的低本钱、高通量及快速化制备
。

图5. ViS_fP-TiCOP增重曲线及致密化周期
。

研究发明，在1500℃高温裂解历程中，Ti的原位气相氮化与碳化机理能为CMCs的快速致密化提供“特殊”的增重与体积膨胀，见图6
。SiBCN前驱体裂解天生以CH₄、NH₃、H₂为代表的小分子气体，700℃以下时这部分气体便消融于Ti中且最先反应天生TiCN(H)；在700~1100℃时，TiCN(H)最先爆发脱氢反应并天生TiCN；在1100~1300℃时，完全转化为TiCN，这种固溶体的晶体结构是典范的面心立方结构
。不但云云，当继续升温时，N₂不再成为“稳固的”惰性气体，最先与剩余的Ti反应天生TiN(C)
。上述气相自增密机制极大增进了CMCs致密化历程，实现有限次数快速制备
。

图6. 活性金属增进快速致密化的机制

老哥俱乐部工团队开发了CMCs新型快速制备工艺要领ViS_fP-TiCOP，立异性提出活性金属的原位气相碳化与氮化机理提升致密化历程
。由于极低的挥发份含量、高交联度和原位Ti增密机理，新型SiBCN-M前驱体陶瓷产率高达87wt%
。仅3轮重复浸渍-裂解，完成Cf/SiBCN-Ti复合质料致密化（孔隙率＜10Vol%）
。该要领为陶瓷基复合质料提供了一种无压、低工艺温度（1200℃）情形且不依赖高价值工艺装备的快速成型手艺，大大缩短制备周期、降低本钱，为陶瓷基复合质料降本增效和扩大应用具有主要的现实意义和工程价值
。

附作者简介：

第一作者：张轶竣，老哥俱乐部先进结构手艺研究院博士生，研究偏向为陶瓷基复合质料快速制备工艺

通讯作者：张中伟，北京理工先进结构手艺研究院教授，博士生导师，现任中国侵蚀与防护学会高温专业委员会副主任委员、先进复合质料手艺与装备立异同盟常务理事等职务
。面向航天装备和重大需求，恒久从事航天质料研发和工程应用，致力于超高温热防护、高温热结构复合质料、新型轻量化结构以及极端情形下质料使役行为研究
。作为认真人主持了国家重点研发妄想、基础增强及领域重点基金等多项重大重点项目，在基础理论和工程应用方面取得了突出效果
。