本發明涉及復合材料制備，特別是指一種提高纖維增強陶瓷基復合材料致密度的成型方法。
背景技術：
1、隨著各種新型飛行器向更高馬赫飛行速度和長時飛行距離的發展，對其透波防熱構件中耐高溫、透波、承載等一系列性能提出了更高需求，要求在更嚴峻的工作環境中承受更大的負載和氣動熱沖擊，工作溫度可達1600℃以上，并滿足高透波特性要求。陶瓷材料因其具備良好的耐高溫、防熱、高強度以及優異的電學性能，往往作為航空航天領域飛行器耐高溫透波構件的優先選材。在透波材料中，傳統的石英陶瓷材料使用溫度低，長時非燒蝕溫度不超過1000℃，無法滿足高速飛行器高馬赫數的使用要求。氧化鋁陶瓷的介電常數和介電損耗等電學性能較差，無法滿足構件在高溫環境下透波的使用要求。氮化硅陶瓷具有優異的耐高溫性能和電學性能，但陶瓷材料固有的脆性等缺點使導致其可靠性受到限制。
2、進一步研究發現，陶瓷纖維增強陶瓷基復合材料由于具備纖維的增強增韌效果，材料可靠性大幅提升，在耐高溫透波構件的選材中脫穎而出。其中，硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料，由于其優良的介電性能、卓越的耐高溫性能和高的力學可靠性成為理想的高速飛行器用耐高溫透波陶瓷材料。
3、硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料主要指以硅硼氮纖維為增強纖維、以硅硼氮為基體的陶瓷復合材料。對硅硼氮纖維的進一步研究發現，硅硼氮纖維兼具了si3n4和bn材料的優點，具有抗氧化、高溫強度和模量保持率高、高溫透波及耐燒蝕等優異性能，且硅硼氮材料由于硼元素的加入，提高了材料的耐溫性，使得相比氮化硅纖維而言，其在惰性氣氛中使用溫度可達1600℃以上，相應復合材料具有良好的高溫力學性能、穩定的電性能及抗燒蝕性能。因此，由硅硼氮基體復合制備的硅硼氮復合材料具有良好的耐高溫性、穩定的電性能及抗燒蝕性能，是未來飛行器耐高溫透波構件的理想選材。
4、目前，由于材料的新穎性，有關硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料的研究報道較少。調研發現，該類材料主要是采用先驅物浸漬裂解（簡稱pip）工藝進行復合制備。該工藝是將硅硼氮纖維編織成纖維預制體，再將預制體充分浸漬于聚硼硅氮烷有機先驅物中，浸漬前驅體的預制體在一定溫度下進行交聯固化，緊接著將帶有前驅體固化物的預制體放入到高溫燒結爐中進行高溫裂解反應處理，通過裂解反應有機先驅體轉化為陶瓷基體進而對預制體進行致密化，通過陶瓷先驅物的多次反復浸漬固化裂解步驟，最終制備出硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料。例如cn112010654a、cn104261850a、cn115636681a等。
5、pip工藝中采用的硅硼氮前驅體（即聚硼硅氮烷）一般粘性較大，流動性不佳，導致前驅體浸入預制體內部后，固化后在纖維預制體內部形成的分布不均勻，更為影響的是，前驅體固化物陶瓷產率不高（一般低于60%），且在裂解過程中會釋放出小分子氣體，產生的氣孔會進一步降低復合材料致密度，從而導致單次對復合材料總體致密度提高效果不佳。當前由于工藝和前驅體的局限性，只有通過多次浸漬固化復合前驅體的工序來制備該類復合材料，但即使如此，對復合材料致密度的提高和基體內部均勻性的改善效果仍有限，最終產品氣孔率仍可高達50%以上。多輪次的裂解復合處理同時也會降低纖維預制體的強度，這種情況下復合材料的力學性能、耐熱性和介電性能均會大幅降低，從而無法獲得理想的耐高溫透波復合材料。
6、針對pip工藝制備硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料中，多輪次的高溫裂解過程加劇纖維損傷、聚硼硅氮烷陶瓷產率低、裂解后基體內部均勻性差從而導致復合材料致密度低、性能差的技術難題，需要對硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料的復合工藝進行創新設計。
技術實現思路
1、為解決現有技術中存在的技術問題，本發明提供一種提高纖維增強陶瓷基復合材料致密度的成型方法，本發明通過將前驅體浸漬固化過程與高溫壓力燒結工藝相結合，并選用優化設計的基體，最大化解決聚硼硅氮烷在現有工藝中裂解形成的基體分布不均勻問題，降低材料內部缺陷，提高復合材料致密度至70%左右。
2、為解決上述技術問題，本發明提供技術方案如下：
3、一方面，本發明提供一種提高纖維增強陶瓷基復合材料致密度的成型方法，包括：
4、（1）硅硼氮纖維預制體準備：將由硅硼氮纖維編織形成的預制體放入浸漬所需的模具中；編織為三維編織，所述纖維預制體中纖維的體積含量為35-50%；
5、（2）將配置好的前驅體混合物采用真空吸入方法浸入步驟（1）中的模具中，確保液面沒過纖維預制體表面；
6、所述前驅體混合物為粉體均勻分散在聚硼硅氮烷前驅體中制得，所述前驅體混合物由以下質量百分比組分組成：聚硼硅氮烷70-90wt%；粉體10-30%；
7、所述粉體為氮化硅粉、氮化硼粉和氧化釔粉的混合物，所述氮化硅粉和氮化硼粉質量比為1-2.2:1，氧化釔粉質量為粉體總含量的10wt%；所述氮化硅粉粒徑為100-500nm，所述氮化硼粉粒徑為0.8-2μm；所述氧化釔粉粒徑為50-200nm；
8、（3）隨后將步驟（2）中得到的裝有浸滿前驅體混合物的硅硼氮纖維預制體的模具放入熱壓燒結爐中，升高溫度至220-260℃，氮氣氣氛下保溫6-8h，確保前驅體混合物中的聚硼硅氮烷固化完全；
9、（4）隨后對步驟（3）中熱壓燒結爐中模具進行加壓，給予初始壓力0.5mpa，確保爐內壓頭與樣品接觸，2小時后繼續升溫至700-800℃，保溫4-6h；
10、（5）隨后對步驟（4）中的熱壓燒結爐進行升壓操作，確保對模具中施加的壓力達到40-60mpa；
11、（6）隨后對步驟（5）中的熱壓燒結爐進行升溫操作，2-3小時后升溫至1300-1500℃，保溫6-8小時，并保持壓力，保溫結束后降溫至1000℃開始泄壓，10分鐘內泄壓至常壓；
12、（7）隨后對步驟（6）中的熱壓燒結爐降溫至100℃以下，開爐取樣，獲得硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料，完成整個復合過程。
13、另一方面，本發明還提供一種上述方法制備的陶瓷纖維增強陶瓷基復合材料。
14、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
15、本發明提出了一種硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料致密化成型復合新工藝，通過創新性得選擇將前驅體浸漬固化過程與高溫壓力燒結工藝相結合，并選用優化設計的基體，調控不同復合階段的工藝參數，最大化解決聚硼硅氮烷在現有工藝中裂解形成的基體分布不均勻問題，降低材料內部缺陷，提高復合材料致密度至70%左右，并通過減少復合次數從而降低對纖維的損傷程度，使得纖維能夠發揮更佳的增強增韌效果，有效提高復合材料的拉伸和彎曲等力學性能，最終可獲得高性能硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料。
16、本發明在降低復合次數的基礎上，進一步提高復合材料的致密度和基體的均勻分布程度，從而獲得高性能硅硼氮纖維增強硅硼氮耐高溫透波復合材料。
17、本發明通過將浸滿聚硼硅氮烷前驅體混合物的硅硼氮纖維預制體放入高溫熱壓燒結爐中進行固化-裂解一體化燒結復合制備，纖維增強體和基體能夠通過一次熱壓燒結過程完成材料復合，相比傳統pip工藝，避免了前驅體反復浸漬過程，降低了多輪次高溫裂解對硅硼氮纖維的損傷，生產周期大幅縮短，生產成本大幅降低，更有利于產業化生產。
18、本發明中采用的浸漬物為聚硼硅氮烷前驅體和氮化硅粉、氮化硼粉基體以及氧化釔燒結助劑混合形成的復合浸漬相。單一聚硼硅氮烷陶瓷產率低，在裂解復合過程中會有大量的質量損失，從而在單次復合后會產生大量氣孔缺陷，而在浸漬物中加入氮化硅粉和氮化硼粉，能夠大大提高浸漬效率和浸漬增重量，降低前驅體裂解中產生的氣孔含量，有效提高了復合材料的最終致密度。與單一聚硼硅氮烷前驅體浸漬復合相比，采用聚硼硅氮烷和氮化硅粉以及氮化硼粉體混合物浸漬，浸漬效率提高了40%以上，材料最終致密度提高了30-50%，且在氧化釔燒結助劑的存在下，能夠明顯降低氮化硅和氮化硼粉體的燒結溫度，從而在1300-1500℃區間的較低溫度下，保證不損傷硅硼氮纖維的同時，得到燒結致密的硅硼氮基體。
19、本發明提出的燒結工藝為創新設計的工藝，與傳統熱壓燒結工藝相比，本發明提出的工藝環節具有明顯的創新性。通過在熱壓燒結爐中，首先將前驅體在220-260℃進行固化成型，隨后在爐內直接升溫至700-800℃，在此溫度下，聚硼硅氮烷前驅體固化物會開始發生裂解并形成粉末狀硅硼氮基體，此時進行加壓操作，纖維預制體由于為整體結構，在高壓作用下仍能保證自身完整性，而初步裂解形成的粉體狀基體在高壓下則會產生一定流動性，從而粉體基體會向完整的硅硼氮纖維預制體內部均勻充分擴散，降低了復合材料內部氣孔缺陷數量和尺寸，最大化解決了聚硼硅氮烷在現有pip工藝中裂解形成的基體分布不均勻的問題。繼續升溫至1300-1500℃時，此時壓力作用下，硼硅氮烷固化后產物持續裂解為粉體并向預制體內部均勻流動，且在高溫高壓作用下，氮化硅粉和氮化硼粉會形成硅硼氮復相陶瓷，而由于氧化釔燒結助劑的存在，會進一步促進硅硼氮復相陶瓷的致密化燒結從而完成復合致密化過程，且該燒結溫度低于1500℃，不會影響到硅硼氮纖維自身狀態和性能，最終在本發明提出的制備新工藝促進下，有效改善了復合材料內部均勻程度和致密度，復合材料的力學性能、耐熱性等綜合性能大幅提升，最終實現高性能硅硼氮纖維增強硅硼氮耐高溫透波復合材料的順利制備。這個工藝過程是結合該類材料，針對pip工藝中復合材料致密度低、內部均勻性差以及低強度的技術難題，進行的創新性設計。
20、同時，本發明涉及的復合材料制備過程中的復合新方法，流程相對簡單，操作簡便易于掌握，對設備無苛刻要求。本發明大幅提升了硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料產業化制備的可行性，有效提高了復合材料的致密度、力、熱等綜合性能，對于硅硼氮纖維增強硅硼氮復合材料以及耐高溫透波材料的后續發展具有推進意義。