非氧化物纤维增强陶瓷基复合材料的纤维表面原位制备(C-SiC)n或SiC涂层的方法技术

本发明专利技术涉及一种非氧化物纤维增强陶瓷基复合材料的纤维表面原位制备(C-SiC)n或SiC涂层的方法，所述制备方法包括：采用化学气相渗透在纤维预制体的纤维表面形成一层C层；以Si或SiO为硅源，采用化学气相渗透使纤维表面的C层部分或全部转变为SiC。本发明专利技术采用Si或SiO为做为Si源，可以避免采用成本高的有机硅源制备(C-SiC)n或SiC涂层，或产生有毒腐蚀性的尾气HCl的产生，具有成本低、环境友好的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳化硅涂层的制备技术，具体涉及一种非氧化物纤维增强陶瓷基复合材料的纤维表面原位制备(C-SiC)n或SiC涂层的方法。
技术介绍
纤维增强陶瓷基复合材料是一种将纤维与陶瓷基体结合形成的高性能复合材料，具有耐高温、耐腐蚀、高可靠性等特点，在航空航天领域获得了广泛的应用。纤维增强陶瓷基复合材料中，纤维和陶瓷基体作为主要组成相，均具有较高的模量，但韧性较低。两者复合后却具有较高的韧性，重要的原因是两者之间存在界面。界面是复合材料的重要组成部分，是影响材料韧性、耐高温、耐腐蚀和高可靠性的重要方面。界面主要作用是阻止裂纹扩展或引起裂纹的偏转，消耗裂纹扩展能，以增强材料的可靠性。SiC具有耐高温、抗氧化、模量高、热膨胀系数低的特点，很适合作为纤维涂层材料，即纤维与基体的界面。目前已有大量的研究报道来制备SiC涂层，采用含有Si的有机前驱体与H2反应CVI来制备。采用的有机前驱体的成本较高有毒，且产生的尾气也有毒，具有腐蚀性。(C-SiC)n与单独的SiC界面涂层相比能够更加有效地阻止裂纹的扩展。目前，采用Si与C纤维原位反应制备SiC涂层在相关专利中已经有报道(CN101560728A)，但专利直接采用C纤维与Si蒸气反应形成SiC涂层，这种制备方法会导致纤维的侵蚀，降低纤维的性能。而且纤维与SiC的涂层结合会比较强，裂纹扩展时难以起到阻止裂纹扩展的作用。专利中纤维仅限于C纤维，对于SiC、SiCN或SiBCN等其他非氧化物纤维难以适用，而且也不能形成(C-SiC)n涂层。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，旨在提供一种成本低、污染小、普适性强的原位制备SiC涂层的方法，以在多种纤维上形成SiC或(C-SiC)n涂层，且解决目前制备SiC涂层中存在的成本和污染问题。本专利技术首先提供一种非氧化物纤维增强陶瓷基复合材料的纤维表面原位制备SiC或C-SiC涂层的制备方法，所述制备方法包括：(1)采用化学气相渗透在纤维预制体的纤维表面形成一层C层；(2)以Si或SiO为硅源，采用化学气相渗透使纤维表面的C层部分或全部转变为SiC。本专利技术首先还提供一种非氧化物纤维增强陶瓷基复合材料的纤维表面原位制备(C-SiC)n涂层的制备方法，所述制备方法包括：(1)采用化学气相渗透在纤维预制体的纤维表面形成一层C层；(2)以Si或SiO为硅源，采用化学气相渗透使纤维表面的C层部分或全部转变为SiC；多次重复上述步骤(1)和(2)以得到所述(C-SiC)n涂层。本专利技术采用Si或SiO为做为Si源，Si为多晶Si粉或Si块，Si可以来自光伏产业的余料，实现废物利用。SiO采用Si与SiO2反应形成，SiO2也有相对低廉的价格。因此本发明可以避免采用成本高的有机硅源制备(C-SiC)n或SiC涂层，或产生有毒腐蚀性的尾气HCl的产生，具有成本低、环境友好的特点。本专利技术中，所述C层的厚度可为0.05-5μm，此厚度范围的涂层可有效增强复合材料的可靠性，且可避免Si或SiO对纤维的侵蚀。本专利技术中，步骤(1)中，化学气相渗透可采用等温CVI、等温强制流动CVI、温度梯度CVI、强制流动温度梯度CVI、脉冲CVI。本专利技术中，步骤(1)中，碳源可采用烷烃、烯烃、炔或芳香烃，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、苯，碳源流量为1～100mL/分钟。本专利技术中，步骤(1)中，化学气相渗透所用载气可为氩气，载气流量可为100～1500mL/分钟，载气温度范围可为800～1200℃，处理时间可为0.5小时以上。本专利技术中，步骤(2)中，化学气相渗透可采用等温强制流动CVI、温度梯度CVI、强制流动温度梯度CVI，优选强制流动温度梯度CVI。本专利技术中，步骤(2)中，化学气相渗透所用载气可为氩气，载气流可为100～1500mL/分钟，处理时间可为0.5小时以上。本专利技术中，步骤(2)中，以Si与SiO2反应形成SiO作为硅源，Si与SiO2加热至1200℃以上生成硅源蒸气，载气加热至同样温度后，再与所述硅源蒸气混合。本专利技术中，步骤(2)中，步骤(2)中，以Si作为硅源，Si加热至1400℃以上生成硅源蒸气，载气加热至同样温度后，再与所述硅源蒸气混合。附图说明图1示出实施例1中未经涂层覆盖的不同放大倍数的C纤维的SEM图片；图2示出实施例2中SiC涂层覆盖的C纤维的SEM图片；图3示出实施例3中SiC涂层覆盖的C纤维的SEM图片；图4示出实施例4中制备了(C-SiC)1涂层后采用PIP制备SiC/SiC复合材料的SEM图片。具体实施方式以下，参照附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。为在多种纤维上形成SiC或(C-SiC)n涂层，且解决目前制备SiC涂层中存在的成本和污染问题，本专利技术提出一种成本低、污染小、普适性强的原位制备SiC涂层的方法。即、本专利技术公开了一种非氧化物纤维增强陶瓷基复合材料的纤维表面原位制备SiC或(C-SiC)n(n＝1，2，3……)涂层的方法。首先采用化学气相渗透(ChemicalVaporInfiltration，CVI在预制体的纤维表面形成非晶或晶态C。随后采用CVI的方式制备SiC涂层，其中硅源为SiO或Si。SiC涂层的厚度在0.05-5μm。多次重复上述过程可制备(C-SiC)n涂层。本专利技术的避免了采用成本高的有机硅源制备(C-SiC)n或SiC涂层，或产生有毒腐蚀性的尾气HCl的产生，具有成本低、环境友好的特点。具体而言，本专利技术的方法可包括如下步骤。首先，选取纤维预制体，可采用以碳、碳化硅、SiCN或SiBCN纤维编制形成的预制体。纤维预制体中纤维的体积分数可为10～50vol.％。将纤维预制体放入沉积炉内，利用CVI在预制体纤维表面沉积碳层。沉积所用碳源可采用烷烃、不饱和碳氢化合物(烯烃、炔、芳香烃)，例如，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、苯。碳源的流量可控制为1～100mL/分钟。可选用用等温CVI、等温强制流动CVI、温度梯度CVI、强制流动温度梯度CVI、脉冲CVI。所用载气可为氩气。沉积(处理)温度可为800-1200℃，沉积时为0.5h以上，沉积形成的C层厚度为0.05-5μm。接着采用CVI原位反应制备SiC涂层，将载气Ar气体进一步加热到一定温度后与SiO或Si蒸气汇合，优选SiO，将气体泵入炉内，气体与加热的预制体表面的C层进行反应，预制体的温度应不低于载气的温度。CVI时间在0.5h以上。可选用等温强制流动CVI、温度梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非氧化物纤维增强陶瓷基复合材料的纤维表面原位制备SiC或C‑SiC涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：（1）采用化学气相渗透在纤维预制体的纤维表面形成一层C层；（2）以Si或SiO为硅源，采用化学气相渗透使纤维表面的C层部分或全部转变为SiC。

【技术特征摘要】
1.一种非氧化物纤维增强陶瓷基复合材料的纤维表面原位制备SiC或C-SiC涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
（1）采用化学气相渗透在纤维预制体的纤维表面形成一层C层；
（2）以Si或SiO为硅源，采用化学气相渗透使纤维表面的C层部分或全部转变为SiC。
2.一种非氧化物纤维增强陶瓷基复合材料的纤维表面原位制备(C-SiC)n涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
（1）采用化学气相渗透在纤维预制体的纤维表面形成一层C层；
（2）以Si或SiO为硅源，采用化学气相渗透使纤维表面的C层部分或全部转变为SiC；
多次重复上述步骤（1）和（2）以得到所述(C-SiC)n涂层。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述C层的厚度为0.05-5μm，纤维预制体的纤维为碳、碳化硅、SiCN或SiBCN纤维。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，化学气相渗透采用等温CVI、等温强制流动CVI、温度梯度CVI、强制流动温度梯度CVI、脉冲CVI。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓光，朱云洲，张景贤，江东亮，姚秀敏，陈忠明，刘学建，黄政仁，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31