一種陶瓷基復(fù)合材料快速制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷基復(fù)合材料快速制備領(lǐng)域，具體涉及一種陶瓷基復(fù)合材料快速制備方法，是一種提高陶瓷基復(fù)合材料在高溫水氧環(huán)境下使用壽命的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端環(huán)境就是一種典型的長(zhǎng)時(shí)(數(shù)百上千小時(shí))、熱(700?1650°C )、力(疲勞、蠕變、復(fù)雜載荷)、氧化(氧、水、熔鹽)耦合環(huán)境。長(zhǎng)時(shí)熱力氧化是氧化介質(zhì)在一定溫度和載荷作用下對(duì)陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)的緩慢氧化過程。纖維和界面損傷的主導(dǎo)因素是熱氧化，力是拉寬裂紋、促進(jìn)氧化的因素。因此，保護(hù)纖維和界面層不受損傷首先要防止氧化性環(huán)境介質(zhì)入侵，這是提高CMCs熱力氧化壽命的關(guān)鍵。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)自愈合，需要對(duì)CMCs的表面、界面和基體進(jìn)行多元多層改性，即在每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，都層層設(shè)防，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境介質(zhì)的就位多次自愈合阻擋，從而形成具有多元多層自愈合防御體系的陶瓷基復(fù)合材料(CMCs-MS)。但是，熱力氧化的耦合環(huán)境卻大幅增加了 CMC-MS長(zhǎng)時(shí)自愈合的難度。因?yàn)閼?yīng)力水平越高，裂紋越寬，越難及時(shí)封填；溫度越高，生成的玻璃封填劑越不穩(wěn)定，封填效果越差。另外，各結(jié)構(gòu)單元中自愈合組元的引入，更增加了抗氧化性與強(qiáng)韌性的協(xié)同難度。因此，目前國(guó)際上SHCMC只能在中低溫度(彡1200°C )和中等載荷(120MPa)條件以下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)自愈合。而更高溫度(1200?1600°C )熱力氧化耦合條件下迫切需要的自愈合陶瓷基復(fù)合材料尚在研制過程中。
[0004]SiBCN陶瓷不僅具有優(yōu)異的超高溫穩(wěn)定性，而且其氧化產(chǎn)物體積膨脹高達(dá)200%、在1600°C仍具有穩(wěn)定的無(wú)定型結(jié)構(gòu)，是理想的自愈合組元；因此選用SiBCN做為自愈合組元改性C/SiC、SiC/SiC復(fù)合材料，制備可滿足1400°C中等載荷條件使用的C、SiC纖維增韌 SiC-SiBCN 自愈合陶瓷復(fù)合材料(Cf/(SiC-SiBCN)n)、(SiCf/(SiC-SiBCN) η)。
[0005]自愈合陶瓷基復(fù)合材料的制備方法主要有化學(xué)氣相沉積法(CVI)、熔融金屬浸漬法(RMI)和聚合物浸漬裂解法(PIP)。
[0006]CVI法制備的自愈合陶瓷基復(fù)合材料具有制備溫度低、基體完整性好、抗氧化性能好和強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但其基體中存在的少量不可避免的微裂紋會(huì)影響其長(zhǎng)時(shí)熱力氧化壽命。這些微裂紋是源于纖維和基體的熱膨脹系數(shù)失配，在復(fù)合材料第一次從基體沉積溫度(約1000°C )冷卻到室溫過程中產(chǎn)生的，主要分布在纖維布編織孔周圍。再次沉積基體時(shí)，微裂紋在制備溫度下會(huì)閉合，再次冷卻時(shí)會(huì)重新張開并穿過新沉積的基體，因此在不改變基體沉積工藝的情況下難以在CVI過程中自行消除。另外CVI法制備復(fù)合材料通常周期較長(zhǎng)。RMI法制備的自愈合陶瓷基復(fù)合材料不僅具有基體完整性好、抗氧化性能好和強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，而且制備周期短，但是超高溫自愈合組元通常熔點(diǎn)很高，制備過程對(duì)纖維的耐高溫性能要求高，容易損傷纖維。另外，SiBCN自愈合組元尚無(wú)合適的RMI工藝可用。PIP法制備的自愈合陶瓷基復(fù)合材料具有工藝溫度低、周期短等優(yōu)點(diǎn)，但是復(fù)合材料基體完整性差，存在大量裂紋和孔洞，導(dǎo)致其強(qiáng)度和抗氧化性較差。
[0007]目前，聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷法(roc)是在較低溫度aooo°c左右)下獲得超高溫陶瓷的成熟方法，已成功制備了 SiBCN。因此，基于PDC方法，利用聚合物浸漬熱解(PIP)方法可在CMCs中引入超高溫自愈合組元SiBCN。但是，傳統(tǒng)的CVI結(jié)合PIP工藝不但會(huì)延長(zhǎng)制備周期，而且自愈合層在CMCs的高溫膨脹和聚合物裂解收縮雙重作用下會(huì)產(chǎn)生孔洞和裂紋，難以保持完整性，既會(huì)影響自愈合效果，又會(huì)影響承載能力。PDC法制備過程中通常采用添加活性添加劑的方式，通過添加劑與本體的反應(yīng)膨脹來(lái)抑制收縮，減少陶瓷的孔洞和裂紋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]要解決的技術(shù)問題
[0009]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種陶瓷基復(fù)合材料快速制備方法，是一種可以填補(bǔ)陶瓷基體空洞和裂紋，快速致密化基體，提高自愈合層完整性的方法:CVI結(jié)合聚合物浸漬-在線裂解(ΡΙ-0Ρ)新工藝在CVI CMCs中引入SiBCN，獲得(Cf/(SiC-SiBCN) η)、SiCf/(SiC-SiBCN) η 復(fù)合材料。
[0010]技術(shù)方案
[0011]—種陶瓷基復(fù)合材料快速制備方法，其特征在于步驟如下:
[0012]步驟1:采用聚合物聚硅硼氮烷PSNB或聚硼硅氮烷PBSZ在室溫下對(duì)CVI工藝沉積過的C/SiC、SiC/SiC半成品復(fù)合材料進(jìn)行浸漬，在120?250°C下固化2?5個(gè)小時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC基體中微裂紋的初步封填；
[0013]步驟2:然后采用CVI工藝制備陶瓷基復(fù)合材料，使得在升溫過程中進(jìn)行SiBCN先驅(qū)體的裂解，在基體沉積過程中完成SiBCN先驅(qū)體的增材裂解和陶瓷化；
[0014]CVI法工藝條件為:以MTS作為先驅(qū)體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氬氣作為保護(hù)氣體；總氣壓為0.1?lOkPa，沉積溫度為800-1200°C，沉積時(shí)間為15?240h ;所述MTS、氫氣和氬氣的比例為MTS:H2:Ar為1:5?25:5?20 ;所述MTS為CH3SiCl3。
[0015]在浸漬之前對(duì)CVI工藝沉積過的C/SiC、SiC/SiC半成品復(fù)合材料采用表面打磨，超聲清洗后，干燥。
[0016]有益效果
[0017]本發(fā)明提出的一種陶瓷基復(fù)合材料快速制備方法，在室溫對(duì)CVI后的C/SiC、SiC/SiC半成品復(fù)合材料的聚合物進(jìn)行浸漬，并固化以實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC基體中微裂紋的初步封填。在CVI工藝的升溫過程中進(jìn)行SiBCN先驅(qū)體的裂解，在基體沉積過程中完成SiBCN先驅(qū)體的增材裂解和陶瓷化，以抑制自愈合層收縮，并完成對(duì)SiC基體中微裂紋的最終封填，減少自愈合層和SiC基體中的孔洞和裂紋。
[0018]本發(fā)明得到的陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)部空洞和裂紋被SiBCN填補(bǔ)，提高了材料致密性，同時(shí)提高了復(fù)合材料在高溫水氧耦合環(huán)境下的使用壽命。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1:4爐次復(fù)合材料內(nèi)部空洞和裂縫的封填
[0020]圖2:4爐次復(fù)合材料內(nèi)部空洞和裂縫的封填
[0021]圖3:6爐次復(fù)合材料內(nèi)部空洞和裂縫的封填
[0022]圖4:6爐次復(fù)合材料內(nèi)部