一种具有双界面相的透波陶瓷基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有双界面相的透波陶瓷基复合材料及其制备方法，包括以下步骤：将氮化物纤维制成预制体并排胶处理，以环硼氮烷液体为先驱体，采用化学气相沉积工艺在氮化物纤维预制体表面沉积氮化硼涂层；将所得含氮化硼涂层的纤维预制体浸渍全氢聚硅氮烷溶液，水解转化得到具有双涂层的纤维预制体；采用溶胶

【技术实现步骤摘要】
一种具有双界面相的透波陶瓷基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于高温电磁透波复合材料制备
，具体涉及一种具有双界面相的透波陶瓷基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]天线罩、窗作为新一代高超声速飞行器的关键电磁传输部件，必须具备优异的力热电综合性能。高温透波材料品种中，石英材料综合性能良好，且产量大、成本低，商业化程度最高，然而石英高温下析晶的瓶颈问题限制了其在1000℃上的长时应用。
[0003]氮化物纤维是以Si3N4、BN、SiBN、SiNO等为主相的新一代透波陶瓷纤维。氮化物纤维增强石英基（Nitride
f
/SiO2）透波复合材料具有优异的高温烧蚀性能、高温力学性能和抗热震性能，有望满足极端热环境下天线罩、窗的长时透波、防热、承载应用需求。Nitride
f
/SiO2复合材料通常采用溶胶
‑
凝胶法制备，在制备过程中氮化物纤维易与石英基体发生反应，使得两者界面结合强度过高，导致复合材料的强度和韧性均较差。
[0004]在氮化物纤维表面和石英基体之间引入界面相涂层，是解决上述问题的有效方法。例如中国专利申请号CN201510426103.9一种涂层氮化硼石英纤维的制造方法，公开了一种沉积氮化硼涂层的石英纤维的制备方法，将水溶剂型氮化硼用去离子水进行稀释后，在石英纤维拉制过程中，对其表面进行涂覆处理，并以该石英纤维与氮化硅基体结合制备陶瓷基复合材料，引入的氮化硼界面相降低了石英纤维和氮化硅基体之间的强界面结合，改善了陶瓷的脆性。但该工艺使用的石英纤维耐温性有限，且氮化硼涂层易吸潮和氧化。
[0005]还有研究通过碳/碳纤维
‑
硅硼碳氮陶瓷复合材料来改善陶瓷基复合材料的性能，例如中国专利申请号CN201310625794.6碳/碳纤维
‑
硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法，由短碳纤维、酚醛树脂、丙酮和硅硼碳氮陶瓷复合粉末制备而成：
①
将酚醛树脂溶解在丙酮中，配制成浸渍溶液；
②
将短碳纤维放入浸渍溶液中浸渍，然后在氩气气氛下裂解，得到碳涂层包覆的短碳纤维；
③
将硅粉、石墨和六方氮化硼放入球磨机中球磨混合，得到复合粉末；
④
将碳涂层包覆的短碳纤维与复合粉末球磨混合后进行热压烧结，得到碳/碳纤维
‑
硅硼碳氮陶瓷复合材料。但是材料的界面结合稳定性存在不足。
[0006]因此，亟需解决氮化物纤维增强石英基透波复合材料强界面结合问题，弥补现有Nitride
f
/SiO2复合材料的缺陷，使得复合材料有着良好的纤维/基体界面结合稳定性，满足更高温度环境的使用需求。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有的透波陶瓷基复合材料的纤维与基体之间的强界面结合不足的问题，提供了一种具有双界面相的透波陶瓷基复合材料及其制备方法，在氮化物纤维表面和石英基体之间引入双界面相涂层，得到一种界面结合良好且力、热、电综合性能优异的双界面透波陶瓷基复合材料。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
本专利技术的原理在于：本专利技术基于化学气相沉积和全氢聚硅氮烷的水解转化工艺，对氮化物纤维与石英基体复合材料进行改性。采用化学气相沉积工艺在氮化硅纤维表面沉积一层氮化硼涂层界面相；利用全氢聚硅氮烷的水解转化在氮化硼涂层界面相上生成硅氮氧涂层界面相；在此基础上，采用溶胶
‑
凝胶法实现与氧化物基体的复合，制备出具有双界面结合的透波陶瓷基复合材料。
[0009]本专利技术所述的一种具有双界面相的透波陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：1）将氮化物纤维制成预制体，经过排胶处理，排胶温度为300
‑
800℃，气氛为真空或惰性气氛，保温1
‑
5h，随炉自然冷却至室温，以环硼氮烷液体作为先驱体，采用化学气相沉积工艺在氮化物纤维表面沉积氮化硼涂层，得到单涂层纤维预制体；所述的氮化物纤维，选自氮化硅纤维、硅氮氧纤维、氮化硼纤维和硅硼氮纤维中的一种或多种，当混合时，为任意比例；所述的预制体，选自由氮化物纤维制成的单向铺排件、2.5D编织件或三维编织件中的一种；所述的化学气相沉积工艺，包括如下步骤：在氮气氛围下以5
‑
25℃/min的升温速率加热至800
‑
1700℃后，抽真空，采用鼓泡法利用流量0.2
‑
0.6L/min的氮气将先驱体输送至沉积炉内，同时通入流量为1.0
‑
2.0L/min的氮气调节稳定气压，控制先驱体浓度为3.0
‑
10.0vol%，沉积30
‑
120min，再抽真空，通入氮气至常压，冷却至室温；2）将步骤1）中得到的单涂层纤维预制体浸渍全氢聚硅氮烷溶液，浸渍全氢聚硅氮烷溶液的浓度为0.1
‑
20.0wt%（正丁醚为溶剂），浸渍时间为2
‑
20h，单涂层纤维预制体上的先驱体溶剂采用室温挥发去除，挥发时间为4
‑
24h；恒温恒湿条件下水解转化，温度为80
‑
120℃，湿度为70
‑
90%，转化时间为2
‑
48h，得到具有氮化硼和硅氮氧双涂层的纤维预制体；3）将步骤2）中所得含双涂层的纤维预制体浸渍硅溶胶，采用溶胶
‑
凝胶法重复浸渍
‑
烘干
‑
后处理，其中硅溶胶的浓度为15
‑
30%，浸渍硅溶胶的过程在真空环境下进行，浸渍时间为4
‑
12h，烘干温度为150
‑
200℃，烘干时间为2
‑
12h，待预制体交联后在惰性气氛中烧结，烧结温度为600
‑
1500℃，烧结时间为30
‑
180min；4）将步骤3）得到的烧结后的预制体，继续按照步骤3）中所述的制备工艺，重复浸渍
‑
烘干
‑
后处理4
‑
6次后烧结1次为一个制备工艺循环，循环3
‑
10次，得到双界面相复合材料中间体；5）将步骤4）得到的复合材料中间体在惰性气氛中进行一次快速的烧结定型，烧结温度为800
‑
1200℃，升温速率为50
‑
100℃/min，烧结时间为30
‑
60min，得到具有双界面相的透波陶瓷基复合材料。
[0010]本专利技术中：步骤1）所述的预制体，选自由氮化物纤维制成的单向铺排件或2.5D编织件。
[0011]步骤1）所述的排胶处理，排胶温度为500
‑
700℃，气氛为真空或惰性气氛，保温1
‑
3h，随炉自然冷却至室温。
[0012]步骤1）所述的化学气相沉积工艺，升温速率为10
‑
15℃/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有双界面相的透波陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1）将氮化物纤维制成预制体，经过排胶处理，排胶温度为300
‑
800℃，气氛为真空或惰性气氛，保温1
‑
5h，随炉自然冷却至室温，以环硼氮烷液体作为先驱体，采用化学气相沉积工艺在氮化物纤维表面沉积氮化硼涂层，得到单涂层纤维预制体；所述的氮化物纤维，选自氮化硅纤维、硅氮氧纤维、氮化硼纤维和硅硼氮纤维中的一种或多种，当混合时，为任意比例；所述的预制体，选自由氮化物纤维制成的单向铺排件、2.5D编织件或三维编织件中的一种；所述的化学气相沉积工艺，包括如下步骤：在氮气氛围下以5
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25℃/min的升温速率加热至800
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1700℃后，抽真空，采用鼓泡法利用流量0.2
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0.6L/min的氮气将先驱体输送至沉积炉内，同时通入流量为1.0
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2.0L/min的氮气调节稳定气压，控制先驱体浓度为3.0
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10.0vol%，沉积30
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120min，再抽真空，通入氮气至常压，冷却至室温；2）将步骤1）中得到的单涂层纤维预制体浸渍全氢聚硅氮烷溶液，浸渍全氢聚硅氮烷溶液的浓度为0.1
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20.0wt%，正丁醚为溶剂，浸渍时间为2
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20h，单涂层纤维预制体上的先驱体溶剂采用室温挥发去除，挥发时间为4
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24h；恒温恒湿条件下水解转化，温度为80
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120℃，湿度为70
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90%，转化时间为2
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48h，得到具有氮化硼和硅氮氧双涂层的纤维预制体；3）将步骤2）中所得含双涂层的纤维预制体浸渍硅溶胶，采用溶胶
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凝胶法重复浸渍
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烘干
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后处理，其中硅溶胶的浓度为15
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30%，浸渍硅溶胶的过程在真空环境下进行，浸渍时间为4
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12h，烘干温度为150
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200℃，烘干时间为2
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12h，待预制体交联后在惰性气氛中烧结，烧结温度为600
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1500℃，烧结时间为30
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180min；4）将步骤3）得到的烧结后的预制体，继续按照步骤3）中所述的制备工艺，重复浸渍
‑
烘干
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后处理4
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6次后烧结1次为一个制备工艺循环，循环3
‑
10次，得到双界...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊生，李端，李学超，于秋萍，刘荣军，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：