專利名稱：一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂層碳纖維增強鈦基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
碳化硅纖維具有良好的高溫性能、高強度、高模量和化學穩(wěn)定性等特性，廣泛應(yīng)用 于宇航、船舶、導彈、兵器、原子能等高技術(shù)領(lǐng)域。碳化硅纖維的突出優(yōu)點是耐高溫性，是目 前使用增強材料中工作溫度最高的，用碳化硅纖維制備的先進復(fù)合材料能長期在高溫下工 作。碳化硅長纖維增強鈦基復(fù)合材料的比強度和比剛度高、使用溫度高、抗疲勞和蠕變性能 好，減重效果明顯，是提高航空發(fā)動機推重比、降低飛機燃油消耗、增加續(xù)航能力的一種新 材料，在未來的航空航天領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮膽?yīng)用潛力。然而這種復(fù)合材料需要在高溫下真空 壓制成型，鈦元素化學性質(zhì)活潑，高溫下易與纖維發(fā)生較強界面反應(yīng)，由此不可避免的纖維 與基體之間發(fā)生界面反應(yīng)，生成脆性界面產(chǎn)物，影響纖維與基體的界面結(jié)合性能，成為降低 復(fù)合材料宏觀性能，阻礙其獲得應(yīng)用的重要因素之一。在界面微觀機械性能中，界面強度對 復(fù)合材料宏觀性能的好壞起決定性的作用。界面反應(yīng)對鈦基復(fù)合材料界面強度具有非常重 要的影響。隨著界面反應(yīng)加劇，纖維與鈦合金基體化學結(jié)合緊密，相應(yīng)的界面強度提高。鈦 基復(fù)合材料的界面反應(yīng)不能太弱，也不能太強。界面反應(yīng)太弱，會導致界面強度偏低，嚴重 削弱復(fù)合材料的橫向力學性能；反之，界面反應(yīng)太強，界面強度較高，對其斷裂韌性和縱向 抗拉伸強度不利。為了獲得合適的界面強度，阻止基體與纖維之間發(fā)生嚴重的界面反應(yīng)，通 常會對纖維表面進行涂層處理，以有效的改善浸潤性和組織過度的界面反應(yīng)。纖維表面涂 層可以與基體產(chǎn)生適度的反應(yīng)，提高界面結(jié)合強度；同時也可阻止界面的過度反應(yīng)，起著保 護纖維的作用，以改善纖維與基體的化學相容性。另外涂層也能在界面提供一個過渡層，以 緩和因纖維和基體熱膨脹系數(shù)和彈性模量等不同而產(chǎn)生的界面應(yīng)力，以改善纖維與基體的 物理相容性。
纖維與基體間的界面強度影響復(fù)合材料的性能。如果界面強度較低，復(fù)合材料在 受力斷裂過程中，纖維容易發(fā)生脫粘、拔出；而界面強度高時，基體中裂紋前端的應(yīng)力集中 不能引起纖維脫粘，裂紋容易貫穿纖維，使纖維斷裂。由于纖維斷裂吸收的能量遠小于纖維 脫粘和拔出時吸收的能量，所以材料呈現(xiàn)脆性。因此，纖維與基體間的界面強度太高或者太 低均對復(fù)合材料的性能不好。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供了一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料及其制 備方法，有效降低界面反應(yīng)程度，得到適中的界面反應(yīng)強度，同時可以有效控制鈦基體中的 元素向纖維擴散所導致的TiN涂層碳化硅纖維增強復(fù)合材料的界面強度差的問題。
本發(fā)明的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料，由交替疊放的箔材和TiN涂層 碳化硅纖維布真空熱壓成型制得，所述TiN涂層碳化硅纖維布的TiN涂層的厚度為1 3 μ m, TiN涂層是通過磁控濺射技術(shù)涂覆至碳化硅纖維表面得到的，所述箔材為鈦箔、鈦合金箔或者鈦鋁合金箔。本發(fā)明的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制備方法是通過以下步驟實 現(xiàn)的一、將碳化硅纖維單層定向排布后將兩端固定，然后浸于無水乙醇中超聲清洗5 20min，然后用去離子水清洗后烘干得到碳化硅纖維布，其中定向排布時控制單根纖維間距 為50 150 μ m ；二、將箔材去除表面氧化層，然后放入腐蝕溶液中浸泡0. 5 lmin，再將 箔材在無水乙醇中超聲清洗10 30min，然后烘干，所述箔材為鈦箔、鈦合金箔或者鈦鋁 合金箔；三、將步驟一得到的碳化硅纖維布放置于磁控濺射儀的真空室內(nèi)，抽真空至10_2 10_3Pa，然后向真空室內(nèi)通入氮氣至真空室內(nèi)壓強為1 2Pa，設(shè)定電流為50 100A，進行 磁控濺射0. 5 lh，即得TiN涂層碳化硅纖維布，其中靶材為鈦靶；四、將步驟三得到的TiN 涂層碳化硅纖維布與步驟二處理后的箔材交替疊放后置于石墨模具中，再將石墨模具置于 真空熱壓設(shè)備中，控制設(shè)備真空度為10_3 10_2Pa，然后在850 1000°C、40 IOOMPa條 件下保溫熱壓0. 5 2h，然后隨爐冷卻，即得到TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料。本發(fā)明的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料具有很好的界面性能，較無涂層 碳化硅纖維制備的復(fù)合材料，本發(fā)明的復(fù)合材料的界面反應(yīng)程度顯著降低，拉伸強度有了 很大的提高。本發(fā)明中TiN涂層碳化硅纖維布表面的TiN涂層可以有效地阻止碳化硅纖維與 鈦基體間的界面反應(yīng)程度及碳化硅纖維與鈦基體間的元素擴散，纖維與基體不發(fā)生直接反 應(yīng)，獲得良好的材料性能，與無涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料相比，界面反應(yīng)程度顯著 降低，復(fù)合材料的拉伸強度得到提高。本發(fā)明的新的碳化硅纖維反應(yīng)障礙TiN涂層，可以得到適中的界面反應(yīng)強度，同 時此涂層可以有效抑制鈦基體中的Al元素向纖維的擴散。


圖1是具體實施方式
十五的步驟三得到的TiN涂層碳化硅纖維布中單根碳化硅纖 維的掃描電子顯微照片；
圖2是具體實施方式
十五制備得到的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料中界 面微觀組織的掃描電子顯微照片；
圖3是具體實施方式
十六制備得到的碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料中界面微觀組 織的掃描電子顯微照片。
具體實施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的 任意組合。

具體實施方式
一本實施方式的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料，由交替 疊放的箔材和TiN涂層碳化硅纖維布真空熱壓成型制得，所述TiN涂層碳化硅纖維布的TiN 涂層的厚度為1 3ym，TiN涂層是通過磁控濺射技術(shù)涂覆至碳化硅纖維表面得到的，所述 箔材為鈦箔、鈦合金箔或者鈦鋁合金箔。本實施方式的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的界面反應(yīng)程度顯著降低， 具有很好的界面性能，拉伸強度有了很大的提高。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是所述TiN涂層碳化硅纖 維布的TiN涂層的厚度為2 μ m。其它參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是所述箔材的厚度為 50μπι 200μπι。其它參數(shù)與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式為具體實施方式
一所述的TiN涂層碳化硅纖維增強 鈦基復(fù)合材料的制備方法，其是通過以下步驟實現(xiàn)的一、將碳化硅纖維單層定向排布后將 兩端固定，然后浸于無水乙醇中超聲清洗5 20min，然后用去離子水清洗后烘干得到碳化 硅纖維布，其中定向排布時控制單根纖維間距為50 150 μ m ；二、將箔材去除表面氧化層， 然后放入腐蝕溶液中浸泡0. 5 lmin，再將箔材在無水乙醇中超聲清洗10 30min，然后 烘干，所述箔材為鈦箔、鈦合金箔或者鈦鋁合金箔；三、將步驟一得到的碳化硅纖維布放置 于磁控濺射儀的真空室內(nèi)，抽真空至10_2 10_3Pa，然后向真空室內(nèi)通入氮氣至真空室內(nèi)壓 強為1 2Pa，設(shè)定電流為50 100A，進行磁控濺射0. 5 lh，即得TiN涂層碳化硅纖維 布，其中靶材為鈦靶；四、將步驟三得到的TiN涂層碳化硅纖維布與步驟二處理后的箔材交 替疊放后置于石墨模具中，再將石墨模具置于真空熱壓設(shè)備中，控制設(shè)備真空度為10_3 KT2I^a,然后在850 1000°C、40 IOOMPa條件下保溫熱壓0. 5 2h，然后隨爐冷卻，即得 到TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料。
本實施方式的制備方法工藝簡單，TiN涂層碳化硅纖維布表面的TiN涂層可以有 效地阻止碳化硅纖維與鈦基體間的界面反應(yīng)程度及碳化硅纖維與鈦基體間的元素擴散，獲 得良好的材料性能，與無涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料相比，界面反應(yīng)程度顯著降低， 復(fù)合材料的拉伸強度得到提高。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟一中定向排布時控 制單根纖維間距為80 120 μ m。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
四或五不同的是步驟二中放入腐蝕 溶液中浸泡50s。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四或五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
四、五或六不同的是步驟二中所述 箔材的厚度為50 μ m 200 μ m。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四、五或六相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
四至七之一不同的是步驟二中將箔 材去除表面氧化層的具體操作方式為采用砂紙將箔材打磨至表面光亮。其它步驟及參數(shù) 與具體實施方式
四至七之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
四至八之一不同的是步驟二中所述 腐蝕溶液按質(zhì)量百分比由5% HN03>10% HCl和85% H2O組成。其它步驟及參數(shù)與具體實 施方式四至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
四至九之一不同的是步驟三中設(shè)定 電流為60 90A。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四至九之一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
四至九之一不同的是步驟三中設(shè) 定電流為80A。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四至九之一相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
四至十一之一不同的是步驟三中 進行磁控濺射50min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四至十一之一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
四至十二之一不同的是步驟四中在880 920°C、60 90MPa條件下保溫熱壓0. 8 1. 5h。其它步驟及參數(shù)與具體實施方 式四至十二之一相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
四至十二之一不同的是步驟四中 在900°C、80MI^條件下保溫熱壓lh。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四至十二之一相同。
具體實施方式
十五本實施方式為TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制備 方法，其是通過以下步驟實現(xiàn)的一、將碳化硅纖維單層定向排布后將兩端固定，然后浸于 無水乙醇中超聲清洗20min，然后用去離子水清洗后烘干得到碳化硅纖維布，其中定向排布 時控制單根纖維間距為80 120 μ m ；二、將鈦合金箔去除表面氧化層，然后放入腐蝕溶液 中浸泡0. 5 lmin，再將鈦合金箔在無水乙醇中超聲清洗20min，然后烘干；三、將步驟一得 到的碳化硅纖維布放置于磁控濺射儀的真空室內(nèi)，抽真空至10_2 10_3Pa，然后向真空室內(nèi) 通入氮氣至真空室內(nèi)壓強為lPa，設(shè)定電流為80A，進行磁控濺射50min，即得TiN涂層碳化 硅纖維布，其中靶材為鈦靶；四、將步驟三得到的TiN涂層碳化硅纖維布與步驟二處理后的 鈦合金箔交替疊放后置于石墨模具中，再將石墨模具置于真空熱壓設(shè)備中，控制設(shè)備真空 度為10_3 10_2Pa，然后在900°C、80MPa條件下保溫熱壓lh，然后隨爐冷卻，即得到TiN涂 層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料。
本實施方式步驟一中所述碳化硅纖維為連續(xù)碳化硅纖維，直徑為114 μ m ；步驟二 中所述鈦合金箔的成分為Ti6A14V，鈦合金箔的厚度為200 μ m。
本實施方式步驟三得到的TiN涂層碳化硅纖維布中單根碳化硅纖維的掃描電子 顯微照片如圖1所示。由圖1可見，碳化硅纖維表面涂覆一層TiN涂層，而且TiN涂層致密。 得到的TiN涂層的厚度為3 μ m。
本實施方式制備得到的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料中界面微觀組織 的掃描電子顯微照片如圖2所示。由圖2可見，TiN涂層碳化硅纖維布表面的TiN涂層可以 有效地阻止碳化硅纖維與鈦基體間的界面反應(yīng)程度及碳化硅纖維與鈦基體間的元素擴散， 獲得良好的材料性能，界面反應(yīng)程度小，復(fù)合材料的拉伸強度得到提高。
對本實施方式制備得到的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料進行界面強度 測試，測試方法為利用纖維頂出方法進行界面強度測試，將復(fù)合材料加工至足夠小的厚度 (厚度以使其能置于纖維推出壓力機上為準)，然后將其置于纖維推出壓力機上，用探針對 纖維末端施以載荷，將纖維從復(fù)合材料基體中推出，記錄得到載荷-位移曲線，進而得到相 應(yīng)的界面脫粘力(即載荷)，對復(fù)合材料中的3 5處的纖維按上述方法進行界面強度測 試，取其平均值即可。得到的復(fù)合材料的界面脫粘力Pmax在23N-27N范圍內(nèi)波動，其平均載 荷為 25. 0723N。
具體實施方式
十六本實施方式為對比實驗，碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制 備方法，其是通過以下步驟實現(xiàn)的一、將碳化硅纖維單層定向排布后將兩端固定，然后浸 于無水乙醇中超聲清洗20min，然后用去離子水清洗后烘干得到碳化硅纖維布，其中定向排 布時控制單根纖維間距為80 120 μ m ；二、將鈦合金箔去除表面氧化層，然后放入腐蝕溶 液中浸泡0. 5 lmin，再將鈦合金箔在無水乙醇中超聲清洗20min，然后烘干；三、將步驟一 的碳化硅纖維布與步驟二處理后的鈦合金箔交替疊放后置于石墨模具中，再將石墨模具置 于真空熱壓設(shè)備中，控制設(shè)備真空度為10_3 10_2Pa，然后在900°C、80MI^條件下保溫熱壓 lh，然后隨爐冷卻，即得到碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料。
本實施方式得到無TiN涂層的碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料。
本實施方式步驟一中所述碳化硅纖維為連續(xù)碳化硅纖維，直徑為114 μ m ；步驟二 中所述鈦合金箔的成分為Ti6A14V，鈦合金箔的厚度為200 μ m。
本實施方式制備得到的無TiN涂層的碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料中界面微觀 組織的掃描電子顯微照片如圖3所示。由圖3可見，采用無TiN涂層的碳化硅纖維布制備 得到的碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的界面反應(yīng)強烈，不能阻止碳化硅纖維與鈦基體間的 元素擴散。
采用具體實施方式
十五的界面強度測試方法測得本實施方式的無TiN涂層的碳 化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的界面脫粘力Pmax處于33N-37N變化范圍內(nèi)波動，平均值為 35.3274N。
可見，具體實施方式
十五制備得到的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的界 面強度明顯小于具體實施方式
十六制備得的無TiN涂層的碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料 的界面強度，具體實施方式
十五得到的復(fù)合材料的界面強度適中，有利于復(fù)合材料綜合性 能的提高。
由圖2和圖3對比可知，與無TiN涂層的碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料相比，具 體實施方式十五制備得到的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料，界面反應(yīng)程度明顯降 低，復(fù)合材料的拉伸強度得到提高。
權(quán)利要求
1.一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料，其特征在于TiN涂層碳化硅纖維增強 鈦基復(fù)合材料由交替疊放的箔材和TiN涂層碳化硅纖維布真空熱壓成型制得，所述TiN涂 層碳化硅纖維布的TiN涂層的厚度為1 3 μ m，TiN涂層是通過磁控濺射技術(shù)涂覆至碳化 硅纖維表面得到的，所述箔材為鈦箔、鈦合金箔或者鈦鋁合金箔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料，其特征在于所 述TiN涂層碳化硅纖維布的TiN涂層的厚度為2 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料，其特征在于所 述箔材的厚度為50 μ m 200 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制備方法，其 特征在于TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制備方法是通過以下步驟實現(xiàn)的一、 將碳化硅纖維單層定向排布后將兩端固定，然后浸于無水乙醇中超聲清洗5 20min，然 后用去離子水清洗后烘干得到碳化硅纖維布，其中定向排布時控制單根纖維間距為50 150 μ m ；二、將箔材去除表面氧化層，然后放入腐蝕溶液中浸泡0. 5 lmin，再將箔材在無 水乙醇中超聲清洗10 30min，然后烘干，所述箔材為鈦箔、鈦合金箔或者鈦鋁合金箔；三、 將步驟一得到的碳化硅纖維布放置于磁控濺射儀的真空室內(nèi)，抽真空至10_2 10-3 ，然 后向真空室內(nèi)通入氮氣至真空室內(nèi)壓強為1 2Pa，設(shè)定電流為50 100A，進行磁控濺射 0. 5 lh，即得TiN涂層碳化硅纖維布，其中靶材為鈦靶；四、將步驟三得到的TiN涂層碳化 硅纖維布與步驟二處理后的箔材交替疊放后置于石墨模具中，再將石墨模具置于真空熱壓 設(shè)備中，控制設(shè)備真空度為1_3 10_2Pa，然后在850 1000°C、40 IOOMPa條件下保溫熱 壓0. 5 池，然后隨爐冷卻，即得到TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制備方法，其 特征在于步驟一中定向排布時控制單根纖維間距為80 120 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟二中所述箔材的厚度為50 μ m 200 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟二中所述腐蝕溶液按質(zhì)量百分比由5% ΗΝ03、10% HCl和85% H2O組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟三中設(shè)定電流為60 90A。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟四中在880 920°C、60 90MPa條件下保溫熱壓0. 8 1. 5h。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟四中在900°C、80MPa條件下保溫熱壓lh。
全文摘要
一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料及其制備方法，涉及TiN涂層的制備方法及涂層碳纖維增強鈦基復(fù)合材料制備方法。本發(fā)明復(fù)合材料由交替疊放的箔材和TiN涂層碳化硅纖維布真空熱壓成型制得。制備方法用磁控濺射技術(shù)在碳化硅纖維布上涂覆TiN涂層，然后將TiN涂層碳化硅纖維布與箔材交替疊放后置于石墨模具，再將石墨模具置于真空熱壓設(shè)備中真空熱壓成型即可。本發(fā)明中TiN涂層有效地阻止碳化硅纖維與鈦基體間的界面反應(yīng)程度，有效抑制鈦基體元素向纖維的擴散，纖維與基體不發(fā)生直接反應(yīng)，復(fù)合材料的界面脫粘力Pmax為23～27N，小于無涂層碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料的Pmax為33～37N，得到的界面強度適中。
文檔編號C22C101/14GK102031466SQ20111000373
公開日2011年4月27日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者孔凡濤, 徐麗娟, 杜趙新, 肖樹龍, 陳玉勇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學