硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氧化物陶瓷材料及其制備領(lǐng)域，尤其涉及一種硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物 陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陶瓷材料具有低密度、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、耐高溫和抗腐蝕等優(yōu)異性能，是備受親睞 的高溫結(jié)構(gòu)材料。然而，單體陶瓷固有的脆性使其應(yīng)用受限。發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料是改善 陶瓷材料強(qiáng)韌性的有效途徑，通常使用的增韌方法有相變?cè)鲰g、顆粒增韌、晶須增韌以及連 續(xù)纖維增韌等。其中，連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（CFRCMCs)能夠最大限度地抑制陶瓷 缺陷的體積效應(yīng)，通過(guò)裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維脫粘和纖維拔出等機(jī)制消耗斷裂能，從而發(fā)揮纖維的 增強(qiáng)作用。同時(shí)，通過(guò)纖維預(yù)制體的合理設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性能的控制。因而，CFRCMCs成 為新型耐高溫、低密度熱結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] CFRCMCs的材料體系主要基于碳、碳化物、氮化物和氧化物等，早期研宄主要集中 在C和SiC陶瓷兩方面。C-CMCs和SiC-CMCs具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐高溫性能，能夠滿 足高速飛行器飛行馬赫數(shù)提高對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其周邊部位材料提出的更高的耐溫要求。然 而，C在高于400°C的氧化環(huán)境中會(huì)發(fā)生氧化導(dǎo)致復(fù)合材料性能降級(jí)，SiC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)服 役環(huán)境下（高溫、含有氧氣、水蒸氣和二氧化碳等）容易發(fā)生氧化而失效，這使C-CMCs和 SiC-CMCs復(fù)合材料的應(yīng)用受限。氮化物CMCs主要基于Si3N4和BN等，具有密度低、熔點(diǎn)高 和抗熱震等優(yōu)異性能，是一類重要的陶瓷基復(fù)合材料。此外，氮化物CMCs具有優(yōu)異的介電 性能，在高溫透波材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，Si3N4燒結(jié)較為困難，通常需要引入 燒結(jié)助劑，還存在吸濕、耐燒蝕性差和高溫氧化等缺點(diǎn)；BN的強(qiáng)度、模量和硬度均偏低，熱 導(dǎo)率高、且易吸潮水解和高溫氧化。因此，氮化物CMCs在高溫氧化環(huán)境中的使用也有限。氧 化物CMCs具有高韌性、高比強(qiáng)度和比模量，能有效地克服對(duì)裂紋和熱震的敏感，且不存在 氧化問(wèn)題，是目前高溫結(jié)構(gòu)材料研宄的一個(gè)重要方向。
[0004] 然而，由于氧化物纖維和氧化物陶瓷基體的活性較強(qiáng)，在復(fù)合材料制備過(guò)程中容 易發(fā)生界面擴(kuò)散反應(yīng)形成強(qiáng)界面結(jié)合，導(dǎo)致未經(jīng)界面改性的氧化物CMCs復(fù)合材料的破壞 容忍度較低，目前普遍采用的解決措施包括弱界面相和多孔基體兩大類。其中，多孔基體避 免了纖維表面涂層的制備，工藝更為簡(jiǎn)單，因而應(yīng)用也最為廣泛。上世紀(jì)九十年代以來(lái)，德 國(guó)航空中心（DLR)、美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室和California大學(xué)等單位相繼開(kāi)展了多孔基體氧化物 CMCs的研宄，并開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的熱結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。然而，正如國(guó)外文獻(xiàn)所報(bào)道的那樣，他們采用 的工藝多為漿料浸漬-纏繞或熱壓工藝，只能成型一維或二維產(chǎn)品，無(wú)法成型三維構(gòu)件。因 此，如何成型制備出力學(xué)性能和抗氧化性能優(yōu)異的三維氧化物纖維織物增強(qiáng)氧化物CMCs， 這一直是高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域所面臨的一大難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服以上【背景技術(shù)】中提到的不足和缺陷，提供一 種力學(xué)性能和抗氧化性能優(yōu)異的硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷，并相應(yīng)提供一種制備周期 短、成本低、可以近凈尺寸成型的該硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷的制備方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶 瓷，所述硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷是以莫來(lái)石、硅酸鋁、氧化鋁、氧化硅中的一種或幾種 的混合作為陶瓷基體，以硅酸鋁纖維作為增強(qiáng)相；所述硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷是以氧 化物溶膠為先驅(qū)體，經(jīng)液相無(wú)壓燒結(jié)法成型制備得到。
[0007] 上述的硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷，優(yōu)選的，所述硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷經(jīng) 1200°C以下高溫氧化至少I(mǎi)OOh后，其彎曲強(qiáng)度、彈性模量和剪切強(qiáng)度均無(wú)顯著下降（一般 不超過(guò)10 %，甚至有提升）。
[0008] 上述的硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷，優(yōu)選的，所述硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷的 密度在2. 5g/cm3以下，其孔隙率為15 %~25 %，其彎曲強(qiáng)度在60MPa以上，其彈性模量在 18GPa以上，其剪切強(qiáng)度在18MPa以上。
[0009] 作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷的 制備方法，包括以下步驟：
[0010] (1)硅酸鋁纖維織物的預(yù)處理：取硅酸鋁纖維織物進(jìn)行熱處理，以去除纖維表面 的膠粘劑；
[0011] (2)基體一次致密化：以氧化物溶膠為先驅(qū)體，對(duì)步驟（1)預(yù)處理后的硅酸鋁纖維 織物進(jìn)行真空浸漬，然后進(jìn)行凝膠化，再經(jīng)高溫陶瓷化后，完成一次致密化過(guò)程；
[0012] (3)基體后續(xù)致密化：重復(fù)上述步驟（2)至少10次，制得硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物 陶瓷。
[0013] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（1)中：
[0014] 所述硅酸鋁纖維織物的結(jié)構(gòu)包括2. 結(jié)構(gòu)、三維四向結(jié)構(gòu)、三維五向結(jié)構(gòu)、三維 六向結(jié)構(gòu)、三維正交結(jié)構(gòu)中的至少一種；
[0015] 所述硅酸鋁纖維織物中纖維體積分?jǐn)?shù)為35 %~50%。
[0016] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（1)中，所述熱處理是采用高溫裂解的方式完 成，其工藝過(guò)程包括：將所述硅酸鋁纖維織物放入裂解爐中，在空氣中以5°C/min~KTC/ min的升溫速率升至500 °C~600 °C，保溫Ih~2h，自然冷卻至室溫。
[0017] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（2)中：
[0018] 所述氧化物溶膠包括莫來(lái)石溶膠、氧化鋁溶膠、氧化硅溶膠中的一種或幾種的混 合物。
[0019] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（2)中，所述真空浸漬的工藝過(guò)程為：利用所 述氧化物溶膠真空浸漬所述硅酸鋁纖維織物4h~8h，然后取出在空氣中晾置Ih~2h。
[0020] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（2)中，所述凝膠化是采用干燥方式完成，其 工藝過(guò)程為：將經(jīng)真空浸漬后的硅酸鋁纖維織物放入烘箱中，以2°C/min~:TC/min的升 溫速率升溫至150°C~200°C，干燥4h~6h，然后自然冷卻到室溫取出。
[0021] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（2)中，所述高溫陶瓷化是采用高溫裂解的方 式完成，其工藝過(guò)程為：將所述凝膠化后的中間產(chǎn)物放入裂解爐中，在空氣中以5°C/min~ 10°C/min的升溫速率升至900°C~1300°C，保溫Ih~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（3)中，重復(fù)步驟（2)的次數(shù)為10~15次。
[0023] 本發(fā)明的上述技術(shù)方案是以三維硅酸鋁纖維織物作為增強(qiáng)體，通過(guò)選取合適的氧 化物溶膠，利用溶膠-凝膠工藝制備出了力學(xué)性能和抗氧化性能優(yōu)異的氧化物CMCs，這為 尚溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料的尚效制備提供了 一種新的路徑。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0025] 1.本發(fā)明的硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷的制備方法為液相法，可在較低溫度下無(wú) 壓燒結(jié)制備莫來(lái)石、硅酸鋁、氧化鋁和氧化硅等陶瓷基體；能耗少，成本低；
[0026] 2.本發(fā)明的制備周期短，工藝效率高；
[0027] 3.本發(fā)明還可通過(guò)纖維編織方式制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，產(chǎn)品外形尺寸可通過(guò)數(shù)控 機(jī)床加工精確控制；且選取的原料廣泛易得，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0028] 采用本發(fā)明方法制備得到的硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷，具有一般陶瓷基復(fù)合材 料的常見(jiàn)優(yōu)點(diǎn)，如高比強(qiáng)度和比模量、優(yōu)異的抗熱震性能等。此外，與碳纖維、碳化硅纖維增 強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料相比，本發(fā)明的硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷具有更優(yōu)異的抗氧化性能； 與多孔氧化物陶瓷基復(fù)合材料相比，本發(fā)明的硅酸鋁纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷具有更優(yōu)異的密 封性能，更能勝任航空發(fā)動(dòng)機(jī)和尾噴管等熱端部件的應(yīng)用需求。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明 的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)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(shí)施例1中制得的硅酸鋁纖維增強(qiáng)莫來(lái)石陶瓷的光學(xué)照片。
[0031]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的硅酸鋁纖維增強(qiáng)莫來(lái)石陶瓷的彎曲強(qiáng)度-位移曲 線圖。
[0032] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的硅酸鋁纖維增強(qiáng)莫來(lái)石陶瓷的微觀形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和較佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更全 面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于以下具體的實(shí)施例。
[0034] 除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語(yǔ)與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義 相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體實(shí)施例的目的，并