一種含界面相的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及纖維增強陶瓷材料領域，尤其涉及一種氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶 瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料（CFCC)具有高比強度、高比模量、高韌性、抗燒蝕、 耐氧化等優(yōu)點，是新型耐高溫、低密度熱結構材料發(fā)展的主流，在航空航天領域具有廣闊的 應用前景。根據(jù)基體種類的不同，CFCC可分為玻璃基、氧化物基和非氧化物基復合材料三 類。目前，研宄較多和應用較廣的材料體系主要有碳、碳化硅和氧化物陶瓷基復合材料， 采用的增強纖維主要有碳纖維、碳化硅纖維和氧化物纖維三類。其中，碳纖維增強陶瓷基 復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，然而其抗氧化性能較差；碳化硅纖維增強陶瓷基復合材料 同樣具有優(yōu)異的綜合性能，然而其實用溫度受限于碳化硅纖維、且高性能碳化硅纖維（如 Hi-Nicalon等）的價格昂貴，難以大規(guī)模推廣應用；氧化物纖維增強陶瓷基復合材料具有 優(yōu)異的抗氧化性能、且使用溫度較高，成為新型熱結構材料研宄的熱點。此外，氧化物陶瓷 基復合材料中界面化學和熱物理相容性差，且纖維容易損傷導致力學性能不高；而碳化硅 陶瓷基復合材料具有優(yōu)異的耐高溫、抗氧化和抗蠕變性能，同時還能應用于高溫吸波材料 領域。因而，氧化物纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料引起了研宄人員的廣泛關注。
[0003] 氧化物纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料的制備工藝主要有：先驅體浸漬裂解法 (PIP)、化學氣相滲透法（CVI)、液相硅浸滲法（LSI)和泥漿浸漬熱壓法（SI-HP)等。其中， PIP工藝和CVI工藝的應用較為廣泛。CVI工藝制備的碳化硅結晶性好，純度較高，但該工 藝致密化速率低、周期長，對工藝過程控制要求較高，需要專用的設備，且基體成分可設計 性差；而PIP工藝制備溫度較低、無需加壓，對纖維的熱機械損傷較小，操作過程簡單、對設 備要求不高，且基體組成和結構可設計性強，該工藝主要的缺點在于纖維和基體容易發(fā)生 界面反應形成強界面結合，通常需要進行界面改性。
[0004] 當前，尚無關于PIP工藝制備氧化物纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料的研宄報 道，僅有少量關于CVI工藝制備氧化物纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料的研宄報道，結果 表明：該材料體系具有優(yōu)異的力學性能和抗氧化性能，但CVI工藝制備周期通常長達數(shù)百 小時，生產效率較低。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服以上【背景技術】中提到的不足和缺陷，提供一 種力學性能、抗氧化性能及高溫性能均優(yōu)異的含界面相的氧化鋁纖維織物增強碳化硅（簡 寫為Al203f/SiC)陶瓷，并相應提供一種制備周期短、成本低、可以近凈尺寸成型該陶瓷的制 備方法。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為一種含界面相的氧化鋁纖維織物 增強碳化硅陶瓷，所述陶瓷是以氧化鋁纖維織物作為增強體，以碳化硅陶瓷作為基體，且增 強體和基體之間形成有犧牲碳界面相。更具特點的是，本發(fā)明的犧牲碳界面相是經先驅體 浸漬裂解工藝后先制得含裂解碳界面相的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷，再經高溫熱處 理犧牲裂解碳界面相后得到的。
[0007] 上述的含界面相的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷，優(yōu)選的：所述陶瓷的彎曲強 度在150MPa以上，且經1000°C高溫氧化2h后的彎曲強度變化幅度不超過5%;所述陶瓷的 彈性模量在75GPa以上，且經1000°C高溫氧化2h后的彈性模量變化幅度不超過5%。
[0008] 作為一個總的技術構思，本發(fā)明還提供一種上述含界面相的氧化鋁纖維織物增強 碳化硅陶瓷的制備方法，包括以下工藝步驟：
[0009] (1)纖維織物預處理：將氧化鋁纖維織物置于馬弗爐中進行高溫氧化，以去除表 面膠和雜質；
[0010] (2)纖維織物表面裂解碳涂層制備：利用化學氣相沉積（CVD)工藝在步驟（1)得 到的氧化鋁纖維織物表面沉積裂解碳涂層；
[0011] (3)先驅體溶液配制：按配比稱取聚碳硅烷和二甲苯，混合攪拌均勻后備用；
[0012] (4)基體致密化：以步驟⑶得到的先驅體溶液真空浸漬步驟⑵后得到的氧化 鋁纖維織物，然后取出晾干，經低溫交聯(lián)和高溫陶瓷化后完成一次致密化過程；
[0013] (5)反復致密化：重復上述步驟⑷至少10次（優(yōu)選10~15次），制得含裂解碳 界面相的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷；
[0014] (6)氧化處理：將上述步驟（5)得到的含裂解碳界面相的氧化鋁纖維織物增強碳 化硅陶瓷置于馬弗爐中，通過高溫氧化以犧牲裂解碳界面相，在氧化鋁纖維織物和碳化硅 陶瓷基體間形成間隙，制得含界面相的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷。
[0015] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（1)中，所述氧化鋁纖維織物為2. 結構、三 維四向結構、三維五向結構、三維六向結構或三維正交結構；所述氧化鋁纖維織物中纖維體 積分數(shù)為35%~50%?，F(xiàn)有的大多數(shù)工藝更多只能適合于一維、二維的纖維織物，而采用 發(fā)明的制備方法可更好地實現(xiàn)三維氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷的近凈尺寸成型。
[0016] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（1)中，所述高溫氧化的工藝過程為：將氧化 鋁纖維織物放入馬弗爐中，在空氣中以5°C/min~10°C/min的升溫速率升至600°C~ 800°C，保溫Ih~3h，自然冷卻至100°C以下取出。
[0017] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（2)中，所化學氣相沉積工藝的參數(shù)條件包 括：原料氣為丙烯和氬氣，沉積溫度為900°C~IKKTC，沉積壓力為IkPa~3kPa，丙烯和氬 氣流速比為I: 1~1 : 3,沉積時間為Ih~5h。
[0018] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（3)中，所述聚碳硅烷和二甲苯的質量比為 1 : 0? 8 ~I : 1. 2〇
[0019] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（4)中，所述真空浸漬時間為4h~8h，晾干時 間為2h~5h。
[0020] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（4)中，所述低溫交聯(lián)是采用烘箱干燥方式完 成，其工藝過程為：將晾干后的氧化鋁纖維織物放入鼓風烘箱中，在空氣中以2°C/min~ 5°C/min的升溫速率升至160°C~200°C，保溫3h~6h，自然冷卻至室溫。
[0021]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（4)中，所述高溫陶瓷化是采用高溫裂解的方 式完成，其工藝過程為：將低溫交聯(lián)后的氧化鋁纖維織物放入裂解爐中，在氬氣中以10°c / min~15°C/min的升溫速率升至900°C~1100°C，保溫0. 5h~2h，自然冷卻至100°C以下 取出。
[0022] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(6)中，所述高溫熱處理是指：在空氣中以 5°C/min~10°C/min的升溫速率升至600°C~800°C，保溫Ih~2h，自然冷卻至100°C以 下取出。
[0023] 本發(fā)明的上述技術方案通過合理地界面設計，采用PIP工藝制備出了高性能的氧 化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷基復合材料，這對于高溫熱結構功能材料的拓展，具有十分 重要的意義。
[0024] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0025] 1.本發(fā)明的含界面相的Al203f/SiC陶瓷的制備方法為氣相法結合液相法，可以在 較低的溫度下無壓燒結制備SiC陶瓷基體，制備周期較短；
[0026] 2.本發(fā)明的制備方法中采用CVD工藝在氧化鋁纖維織物表面預沉積裂解碳涂層 結晶度高、厚度均勻性好，可以有效抑制氧化鋁纖維和基體在復合材料制備過程中的擴散 反應，從而弱化界面結合；且氧化犧牲后可以在氧化鋁纖維和基體之間留下均勻的間隙，有 效提高含界面相的Al203f/SiC陶瓷的高溫結構穩(wěn)定性；
[0027] 3.本發(fā)明的制備方法通過纖維編織方式的合理設計，還可以制備結構復雜的構 件，且產品外形尺寸可通過數(shù)控機床加工精確控制。
[0028]總體來看，本發(fā)明制得的含界面相的Al203f/SiC陶瓷，具有一般陶瓷基復合材料的 常見優(yōu)點，如低密度和優(yōu)異的力學性能等。此外，與Cf/SiC和SiCf/SiC陶瓷相比，本發(fā)明的 含界面相的Al203f/SiC陶瓷具有更優(yōu)異的抗氧化性能；與CVI工藝制備的Al203f/SiC陶瓷 相比，本發(fā)明的含界面相的Al203f/SiC陶瓷的高溫處理時間較短，對纖維的熱損傷較小，無 需特種設備，生產效率更高且成本更低。
【附圖說明】
[0029] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明 的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù) 這些附圖獲得其他的附圖。
[0030] 圖1是本發(fā)明實施例1中制得的Al203f/SiC陶瓷的典型彎曲強度-位移曲線。
[0031] 圖2是本發(fā)明實施例1中制得的對照樣的斷面微觀形貌圖。
[0032] 圖3是本發(fā)明實施例1中制得的Al203f/SiC陶瓷的斷面微觀形貌圖。
【具體實施方式】
[0033] 為了便于理解本發(fā)明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本發(fā)明作更全 面、細致地描述，但本發(fā)明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。
[0034] 除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術語與本領域技術人員通常理解的含義 相同。本文中所使用的專業(yè)術語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明 的保護范圍。
[0035] 除非另有特別說明，本發(fā)明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設備等均可通過市 場購買得到或者可通過現(xiàn)有方法制備得到。
[0036] 實施例1:
[0037] -種本發(fā)明的含界面相的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷，其是以氧化鋁纖維織 物作為增強體，以碳化硅陶瓷作為基體，且增強體和基體之間形成有犧牲碳界面相。
[0038] 本實施例含界面相的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷的制備方法，具體包括以下 工藝步驟：
[0039] (1)纖維織物預處理：將纖維體積分數(shù)為40%的三維正交氧化鋁纖維織物置于馬 弗爐中，在空氣中以l〇°C/min的升溫速率升至600°C，保溫2h，自然冷卻至100°C以下取 出，以去除表面膠和雜質；
[0040] (2)纖維織物表面裂解碳涂層制備：利用化學氣相沉積工藝（CVD)在步驟（1)得 到的纖維織物表面沉積裂解碳涂層，CVD工藝參數(shù)包括：原料氣為丙烯和氬氣，沉積溫度為 960°